멀티 스레드
- 하나의 프로세스 내에서 여러 개의 스레드를 이용하여 동시에 처리한다. (병렬 처리)
- 다수의 스레드는 하나의 데이터 자원을 공유하기 때문에 메모리 효율성이 높다.
Q. 멀티 프로세스 대신에 멀티 스레드를 사용하는 이유?
- 자원의 효율성 증대
- 프로세스 간의 문맥 교환은 CPU 레지스터 교체, RAM과 CPU 사이의 캐시 메모리 초기화까지 진행된다.
- 따라서 자원을 공유하는 멀티 스레드는 처리 비용의 감소와 응답 시간이 단축된다.
- 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어든다. (오버헤드 감소)
단점
- 프로세스 외부에서 스레드 제어가 어렵다.
- 동기화 문제
- 하나의 스레드에서 문제가 발생하면 프로세스 전체에 영향을 준다.
스레드 풀 (Thread Pool)
프로세스를 시작할 때 일정한 수의 스레드들을 미리 pool 로 만들어 두는 것이다.
스레드 풀 안에 있는 스레드 들은 할당된 서비스가 없으면 가만히 있다가,
서비스가 요청되면 처리하고 다시 풀로 돌아간다.
만약, 스레드 풀에 남아있는 스레드가 바닥나면 서버는 가용 스레드가 생길 때까지 기다려야 한다.
- 장점
새 스레드를 생성하는 일에는 성능 오버헤드가 있는데
스레드 풀을 이용하여 기존 스레드를 활용하기 때문에 빠르다.
스레드 제어 블록 TCB
- 스레드 상태
- 스택 포인터
- PC
- 스레드의 레지스터 값
- 스레드가 있는 프로세스의 PCB를 가르키는 포인터
동기화
- 커널에서 제공하는 동기화 기능 : 뮤텍스, 세마포어
- 그 외 : 모니터, 크리티컬 섹션, 인터락 함수 기반 동기화
동기화 기법
l 임계 구역 ( Critical Section )
둘 이상의 스레드가 동시에 접근해서는 안되는 공유 자원 코드 영역
동시에 Read/Write 를 하면 동기화 문제가 생기므로
하나의 프로세스 / 스레드만 수행하도록 Lock을 걸고 해제하며 컨트롤한다.
임계구역은 선점할 수 없다.
임계 구역 내의 작업은 신속하게 이루어져야 한다.
l 임계 구역 문제 해결하기 위한 조건
| 상호 배제 ( Mutual Exclusion ) |
한 프로세스가 임계구역에 들어가 있으면 다른 프로세스 들어갈 수 없다. |
| 진행 ( Progress ) |
임계구역에 들어간 프로세스 없다면 어느 프로세스가 들어갈 지 적절히 선택 |
| 한정 대기 ( Bounded Waiting ) | 기아 방지를 위해 한 번 들어갔다 나온 프로세스는 다음에 들어갈 때 제한을 준다. |
Lock
자원을 사용하는 동안 들어오지 못하도록 잠구는 것
하나의 자원에 여러 스레드가 동시에 접근하는 것을 조율해준다.
l 스핀락 ( Spin Lock ) : 계속 돌면서 확인
- 다른 스레드가 락을 소유하고 있다면 그 락이 반환될 때까지 확인하며 기다렸다가
사용가능하면 바로 처리한다. (busy waiting) - 장점
- 락이 해제될 때 스레드 문맥 교환이 없어 오버헤드 없이 임계구역에 접근이 가능하다.
- 단점
- 어떤 스레드가 락을 오래 소유한다면 CPU 시간을 낭비하게 된다.
- 따라서 임계 영역이 아주 작거나, 빠른 처리가 가능할 때 유용하다.
l 상호 배제, 뮤텍스 (Mutually Exclusive) : 화장실이 하나 뿐인 식당, 열쇠 1개
- 여러 프로세스/ 스레드가 공유된 자원에 접근하는 것을 막는다.
- 임계 구역 내에서 인터럽트, 교착상태, 무한 반복이 발생하지 않도록 해야 한다.
- 키가 1개인 세마포어
- 소프트웨어적 구현방법
- 2개 프로세스 : 데커 알고리즘, 피터슨 알고리즘
- 그 이상 : 램포트의 빵집 알고리즘
l 세마포어 (Semaphore) : 화장실이 여러 개 있는 레스토랑, 열쇠 = 칸 개수 만큼
- 현재 공유자원에 접근할 수 있는 프로세스/스레드 수를 나타내는 값을 두어 상호배제한다.
- Lock - 특정 수만큼 카운트를 더한다.
- UnLock - 특정 수만큼 카운트를 뺀다.
- 동기화 대상이 여러 개일 때 사용
l 세마포어 종류
1) 카운팅 세마포어
P, V라는 2개의 연산에 의해서 동기화 유지
S는 P와 V 연산으로만 접근 가능한 세마포어 변수로 공유 자원의 개수를 나타내며
0과 1 혹은 0과 양의 값을 가질 수 있다.
P 연산 : 자원의 개수(S = S-1)를 감소시켜 점유되었음을 알림(Wait)
V 연산 : 자원의 개수(S = S+1)를 증가시켜 자원이 반납되었음을 알림(Signal), 0이 되면 모두 사용중임을 나타냄
P(s) = wait(s) { while(s<=0) s--; };
V(s) = signal(s){ s++;};
2) 이진 세마포어
세마포어 값으로 0 또는 1을 가진다.
계수 세마포어보다 간단히 구현할 수 있으며,
Test and Set 등 하드웨어가 지원하는 기능을 이용하여 구현하기도 한다.
또한, 이진 세마포어를 이용하여 계수 세마포어를 구현할 수도 있다.
l 모니터
- 동기화를 구현하기 위한 프로그램 기법
- 모니터 내의 공유 자원을 이용하려면 프로세스는 반드시 모니터 진입부를 호출해야 한다.
- 외부의 프로시저는 접근할 수 없으며
- 모니터의 경계에서 상호배제가 시행되어, 한 순간에 하나의 프로세스만 진입하여 자원을 사용한다.
출처
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