[CS] 운영체제 스레드

1. 스레드

스레드는 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위이다

 

프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있다

 

 

2. 멀티스레딩

프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법이다

 

스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높다

 

예를들어 웹 요청을 처리할 때 새 프로세스를 생성하는 대신

스레드를 사용하는 웹 서버의 경우 훨씬 적은 리소스를 소비한다

 

한 스레드가 중단(blocked) 되어도 다른 스레드는 실행(running) 상태라

중단되지 않은 빠른 처리가 가능하다

또한 동시성에도 큰 장점이 있다

 

동시성

서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고

동시에 실행되는 것처럼 보여주는 것

 

하지만 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐

스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있는 단점이 있다

 

3. 공유 자원과 임계 영역

공유 자원

공유 자원(shared resource)는 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가

함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의

자원이나 변수 등을 의미한다

 

이런 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을

경쟁 상태(race condition)라고 한다

 

동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이

결과값에 영향을 줄 수 있는 상태인 것이다

 

 

임계 영역

공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 영역을

임계영역(critical section)이라 한다

 

임계 영역을 해결하기 위한 방법으로 크게 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세가지가 있다

이 방법 모두 상호배제, 한정대기, 융통성이란 조건을 만족한다

 

이 방법에 토대가 되는 메커니즘은 잠근이다

예를들어 임계 구역을 화장실 이라고 한다면

화장실에 A라는사람이 들어가서 문을 잠근다

그리고 다음 사람은 A라는 사람이 나오면 화장실을 쓸 수 있다

 

상호 배제

한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없다

 

한정 대기

특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안된다

 

융통성

한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해해서는 안된다

 

뮤텍스

뮤텍스(mutex)는 공유 자원을 사용하기 전에 설정하고 사용한 후에 해제하는 잠금이다

잠금이 설정되면 다른 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없다

또한 뮤텍스는 하나의 상태(잠금, 잠금 해제)만 가진다

 

 

세마포어

세마포어(semaphore)는 일반화된 뮤텍스이다

간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait(P 함수라고도 한다) 및 signal(V 함수라고도 한다)로

공유 자원에 대한 접근을 처리한다

 

wait()는 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수

signal()은 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수이다

 

 

바이너리 세마포어

바이너리 세마포어는 0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어이다

 

구현의 유사성으로 인해 뮤텍스는 바이너리 세마포어라고 할 수 있다

 

엄밀히 말하면

뮤텍스는 리소스에 대한 접근을 동기화하는데 사용되는 잠금 메커니즘이고

세마포어는 신호를 기반으로 상호 배제가 일어나는 신호 메커니즘이다

 

예를 들어 휴대폰에서 노래를 듣다가 친구로부터 전화가 오면

노래가 중지되고 통화 처리 작업에 관한 인터페이스가 등장하는것이다

 

카운팅 세마포어

카운팅 세마포어는 여러 개의 값을 가질수 있는 세마포어이며

여러 자원에 대한 접근을 제어하는 데 사용된다

 

모니터

모니터는 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에

안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고

해당 접근에 대해 인터페이스만 제공한다

 

모니터는 모니터큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리한다

모니터는 세마포어보다 구현하기 쉬우며 모니터에서 상호 배제는 자동인 반면

세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 하는 차이점이 있다

 

 

4. 교착 상태

교착 상태(deadlock)는 두 개 이상의 프로세스들이

서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태이다

 

예를들어 프로세스 A가 프로세스 B의 어떤 자원을 요청할 때

프로세스 B도 프로세스 A가 점유하는 자원을 요청하는 것이다

 

교착 상태 원인

- 상호배제

한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가능하다

 

- 점유 대기

특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태이다

 

- 비선점

다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없다

 

- 환형 대기

프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 요구하고

프로세스 B는 프로세스 A의 자원을 요구하는 등

서로가 서로의 자원을 요구하는 상황을 말한다

 

교착 상태의 해결 방법

1) 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계한다

 

2) 교착상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며

프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능여부를

파악하는 '은행원 알고리즘' 을 쓴다

 

은행원 알고리즘

총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태로 나누고

안정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘이다

 

3) 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고

이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지운다

 

4) 교착 상태는 매우 드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 커서

교착 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료하는 방법을 채택한다

예를 들어 프로세스를 실행시키다 '응답없음' 이라고 뜨면

교착 상태가 발생한 경우이고 보통 사용자가 닫기를 누른다