프로세스와 스레드

1. 3 프로세스와 스레드

2. 학습목표 • 프로세스와 스레드의 개념을 이해한다. • 프로세스의 상태 변화 과정을 이해한다. • 프로세스의 생성과 종료 등 프로세스와 관련된 작업을 이해한다. • 프로세스와 스레드의 차이를 알고 스레드의 장점을 이해한다. • 사용자 수준 및 커널 수준 스레드의 장단점을 이해한다. • 내용 • 프로세스 개요 • 프로세스 관리 • 스레드

3. 1. 프로세스 개요 • 프로세스(Process) 개념 • 1960년대 멀틱스 시스템(Multics System) 설계자 처음 사용. • 이후 작업(Task)이란 용어와 함께 사용되며, 다양한 정의를 가짐. • 가장 일반적인 정의는 “실행 중인 프로그램” - 디스크에 저장되어 있던 실행 가능한 프로그램이 메모리에 적재되어 운영체제의 제어를 받는 상태. - 해당 프로세스가 사용하고 있는 메모리 영역(자신의 주소 공간)이 존재함을 의미. - 프로세서 할당(점유) 시간과 메모리, 파일, 입출력장치 등의 자원이 필요하며, 자원은 프로세스 생성 및 실행 시 할당됨. - 현재의 활동 상태를 나타내는 프로그램 카운터와프로세서의 현재 활동(레지스터 내용) 포함. • 프로그램과 달리 프로세서는 메모리에 주소 공간을 갖는 능동적인 개체. • 실행 스택(Stack) : 호출된 프로시저(함수)의 복귀 주소와 지역 변수 등의 일시적인 데이터를 저장하는 영역. • 실행 힙(Heap) : 텍스트(코드) 영역과는 별도로 유지되는 자유 영역. • 데이터(정적 변수) : 프로세스 실행 중 동적으로 할당 받는 영역, 전역 또는 정적 변수 저장. • 텍스트(코드) : 프로세서가 실행하는 코드 저장. [그림3-1] 메모리에 존재하는 프로세스 주소 공간 구조

4. 1. 프로세스 개요 • 재진입 프로그램(재진입 코드) • 메모리 내에 동일한 사본을 여러 사용자가 공유할 수 있도록 작성된 프로그램 또는 루틴. - 실행 중 사용할 데이터를 보관하는 실행 스택과 공통적인 데이터를 보관하는 데이터 영역을 가짐. - 프로세서가 동일한 프로그램을 사용하여도 텍스트(코드) 영역은 같으나 별도의 스택에 서로 다른 데이터를 가지므로 별개의 프로세스로 인식됨. - 데이터베이스, 문서 편집기 등 • 프로세스는 사용자 관점에서 세그먼트(코드, 데이터, 스택 등)의 가상 주소 공간을 갖는 상태를 의미, 시스템 관점에서 실행중인 프로그램을 의미. • 처리 상태에 있는 데이터 구조로 표현 가능(그림 3-2) - 스케줄러(디스패칭)에 의해 프로세서 할당. - 파일에 관련된 자원에 대한 참조(장치 관리, 메모리 관리) - 프로세스 지원과 협력에 관한 정보(교착상태, 보호, 동기화) 교환 - 프로세스 관련 연산은 생성, 종료, 보류, 자원 할당, 해제 등 [그림3-2] 시스템 관점에 본 프로세스

5. 1. 프로세스 개요 • 프로세스 종류 • 실행 유형에 따라 크게 3가지로 구분. • 운영체제 프로세스 - 커널 프로세스 또는 시스템 프로세스라 부름. - 프로세스 실행 순서 제어, 사용하고 있는 프로세스가 다른 사용자나 운영체제 영역을 침범하지 못하게 감시하는 기능 담당. - 사용자 프로세스 생성, 입출력 프로세스 등 시스템 운영에 필요한 작업 수행. • 사용자 프로세스 : 사용자 코드 수행. • 병행 프로세스 : 프로세스 여러 개가 동시에 실행되며, 독립 프로세스와 협동 프로세스로 구분. 1. 독립 프로세스 - 프로세스 여러 개가 병행하여 수행 시 주어진 초기값에 따라 항상 같은 결과를 보여줌. - 서로 독립적으로 실행되어 다른 프로세스에 영향을 받지 않고, 데이터를 공유하지 않음. 2. 협동 프로세스 - 다른 프로세스에 영향을 주거나 다른 프로세스에 의해 영향을 받음. - 컴퓨터 시스템의 제한된 자원을 공유하는 프로세스들이 통제되어 상호 작용해야 하는 경우 발생. - 서로 협동해야 하는 경우, 통신을 위한 수단과 동기화 기능이 필요.

6. 1. 프로세스 개요 • 프로세스 상태 • 실행과 비실행 프로세스로 구분. • 프로세스는 실행되며 상태가 변하므로 운영체제는 프로세스 제어에 필요한 프로세스 상태를 점검해야 함. - 운영체제가 프로세스를 새로 생성하면 비실행 상태로 초기화되어 실행을 기다림. - 실행 중인 프로세스 종료 또는 인터럽트 발생 시 비실행 프로세스 중 선택된 프로세스가 실행 상태로 변하고(디스패치) 인터럽트 된 프로세스는 비실행 상태로 변경. • 실행 상태 프로세스 - 실행 : 명령어가 실행되는 상태, 즉 프로세스가 프로세서를 점유한 상태 - 대기또는 보류 : 프로세서가 이벤트(입출력 종료와 같은 외부 신호)가 일어나길 기다리는 상태 - 준비 : 프로세스가 프로세서를 할당 받기 위해 기다리는 상태 • 대부분의 프로세스는 준비나 대기(보류) 상태이며, 어느 한 순간에 한 프로세스만 실행상태가 됨. [그림3-4] 프로세스 상태 [그림3-3] 프로세스 상태 구분

7. 1. 프로세스 개요 • 프로세스 상태 변화 • 시스템의 모든 프로세스는 종료되어 시스템을 떠날 때까지 준비,실행, 대기(보류) 상태로 변화되며 실행되는 과정을 반복. • 운영체제는 프로세서 스케줄러를 이용해 프로세스 상태 변화를 관리. • 작업 스케줄러 • 스풀러가 디스크에 저장한 작업들 중 실행할 작업을 선정, 준비 리스트에 삽입. • 이를 통해 다중 프로그래밍의 정도를 결정하는 핵심적인 역할 수행. • 선정한 작업에 대한 프로세스의 생성에서 종료까지의 과정 수행을 위해 아래 그림과 같은 상태 변화를 일으킴. • 프로세스 상태 변화(그림 3-5) - 실행 프로세스가 자발적으로 프로세서 반환 전 할당된 시간이 경과하면 준비상태로 변경. - 실행 프로세스가 실행하다 입출력 명령이 발생 시 대기 (보류) 상태로 변경. - 대기 프로세스는 보류 이유가 제거되면 준비 상태로 변경. - 준비 프로세스는 디스패처(Dispatcher)가 프로세서를 할당하면 다시 실행상태로 변경. [그림3-5] 프로세스 상태 변화

8. 1. 프로세스 개요 • 준비 → 실행 • 디스패치(Dispatch) : 준비 리스트 맨 앞에 있던 프로세스가 프로세서를 선택(배당되어 실행)하는 것. • dispatch(프로세스명) : 준비 → 실행 • 시간 할당 - 실행 프로세스가 프로세서를 일정 시간만 사용할 수 있도록 시간을 제한. - 특정 프로세스가 프로세서를 계속 독점하는 것을 방지함. [그림3-6] 프로세스와 디스패처

9. 1. 프로세스 개요 • 실행 → 준비 • 프로세스가 프로세서를 점유한 상태를 “프로세스가 실행 상태에 있다”라고 함. • 운영체제는 프로세스의 독점을 방지하기 위해 인터럽트 클록(Interrupt Clock)을 둠. - 특정 프로세스가 일정 시간이 지나도(타임아웃) 프로세서를 반환하지 않으면 클록(Clock)이 인터럽트를 발생, 운영체제가 프로세서 제어권을 가짐. • 운영체제가 제어권을 가지면 실행 중인 프로세스는 준비 상태로 변화, 준비 리스트의 첫 프로세스가 실행 상태로 변경. • 실행 → 대기(보류) • 실행 프로세스가 지정 시간 전에 입출력 연산 등이 필요하거나 새로운 자원 요청 등의 문제 발생 시 스스로 프로세서를 양도하고 대기 상태로 변경. • timeout(프로세스명) : 실행 → 준비 • block(프로세스명) : 실행 → 대기(보류) • 대기(보류) → 준비 • 깨움(Wake up) : 프로세스의 마지막 상태 변화로 입출력 작업이 끝났을 때 발생. • wakeup(프로세스명) : 대기(보류) → 준비 ※ 프로세스 상태 변화 중 프로세스 스스로 하는 것은 보류뿐, 나머지는 외부 조건에 의해 발생.

10. 1. 프로세스 개요 • 프로세스 제어 블록 (PCB, Process Control Block) • 프로세스는 운영체제 내에서 프로세스 제어 블록이라 표현하며, 작업 제어 블록이라고도 함. - 프로세스를 관리하기 위해 유지되는 데이터 블록 도는 레코드의 데이터 구조. - 프로세스 식별자, 프로세스 상태, 프로그램 카운터 등의 정보로 구성. - 프로세스 생성 시 만들어지고메인 메모리에 유지, 운영체제에서 한 프로세스의 존재를 정의. - 프로세스 제어 블록의 정보는 운영체제의 모든 모듈이 읽고 수정 가능. • 프로세스 제어 블록(그림 3-7) - 프로세스 식별자 : 각 프로세스에 대한 고유 식별자 지정. - 프로세스 상태 : 생성, 준비, 실행, 대기, 중단 등의 상태 표시. - 프로그램 카운터 : 프로그램 실행을 위한 다음 명령의 주소 표시. - 레지스터 저장 영역 : 누산기, 인덱스 레지스터, 범용 레지스터, 조건 코드 등에 관한 정보로 컴퓨터 구조에 따라 수나 형태가 달라짐. - 프로세서 스케줄링 정보 : 프로세스의 우선순위, 스케줄링 큐에 대한 포인터, 그 외 다른 스케줄 매개변수를 가짐. - 계정 정보 : 프로세서 사용시간, 실제 사용시간, 사용상한시간, 계정 번호, 작업 또는 프로세스 번호 등. - 입출력 상태 정보 : 특별한 입출력 요구 프로세스에 할당된 입출력장치, 개방된(Opened) 파일의 목록 등. - 메모리 관리 정보 : 메모리 영역을 정의하는 하한 및 상한 레지스터(경계 레지스터) 또는 페이지 테이블 정보. [그림3-7] 프로세스 제어 블록(PCB)

11. 1. 프로세스 개요 • 프로세스 교환 • 프로세스의 교환은 인터럽트와 트랩, 시스템 호출로 나타냄. • 실행 중인 프로세스가 인터럽트되어 운영체제가 다른 프로세스를 실행 상태로 변경, 제어를 넘겨줄 때, 프로세서의 레지스터 내용은 저장해야 함. • 프로세스는 현재 사용되는 자원에 대한 정보를 가지며, 실행되는 과정에서 여러 프로세스가 파생될 수 있는 능동적인 개체. - 프로그램은 프로세스 여러 개로 생성될 수 있는 디스크에 저장된 파일 내용으로 정적 단위. • 즉, 자원을 할당 받은 상태의 프로그램. [그림3-8] 프로세스 간 교환(프로세스 사용을 전환하는 P1, P2간의 교환)

12. 2. 프로세스 관리 • 프로세스 구조 • 실행 중 프로세스 생성 시스템을 호출, 새로운 프로세스를 생성 가능. • 이때 프로세스 생성 순서 저장, 부모/자식 관계를 유지하며 계층적으로 생성됨. - 부모 프로세스(Parent Process) : 생성하는 프로세스. - 자식 프로세스(Child Process) or서브 프로세스(Sub Process) : 생성되는 프로세스. • 유닉스 시스템의 일반적인 프로세스 계층 구조 (그림 3-9) - 처음 부팅 시 식별자(PID, Process ID)가 0인 첫 번째 프로세스 Swapper생성. - 이어서 Init(PID=1), Pagedeamon(PID=2) 생성. - Swapper(PID=0), Pagedeamon(PID=2)를 운영체제(커널)프로세스라 하며 운영체제 모드에서만 실행. - 모든 사용자 프로세스는 fork()명령을 통해 계층적으로 Init의 자식 프로세스로 생성됨. [그림3-9] 프로세스 계층 구조 예(유닉스 시스템)

13. 2. 프로세스 관리 • 프로세스 생성 • 프로세스는 운영체제 또는 다른 사용자의 응용 프로그램 요청에 의해 생성. • 운영체제가 새로운 프로세스를 생성, 추가하려면 프로세스 관리를 위한 프로세스 제어 블록을 만든 후 프로세스에 주소 공간을 할당해야 함. - 일괄 처리 환경에서는 실행을 위해 작업이 준비 큐에 도착할 때 생성. - 대화형 환경에서는 새로운 사용자가 로그온(Log-on)할 때 생성. • 프로세스 생성을 위해 다음과 같은 작업이 필요함. - 프로세스 식별자 결정. - 시스템에 알려진 프로세스 리스트에 식별자 삽입. - 프로세스에 초기 우선 순위 부여. - 프로세스 제어 블록 생성. - 프로세스에 초기 자원 할당. • 프로세스 생성 과정. 1 단계 : 새로운 프로세스에 프로세스 식별자 할당. 2 단계 : 프로세스의 모든 구성 요소를 포함할 수 있는 주소 공간, 프로세스 제어 블록 공간 할당. 3 단계 : 프로세스 제어 블록 초기화. - 프로세스의 상태 정보/프로그램 카운터/스택 포인터 등의 초기화, 자원 요청, 프로세스 제어 정보 (우선 순위) 등 4 단계 : 링크(해당 큐에 삽입).

14. 2. 프로세스 관리 • 프로세스가 작업을 수행하기 위해 자원 필요. • 자식 프로세스 생성 시 필요한 자원을 운영체제로부터 직접 또는 부모 프로세스의 자원 일부 사용 가능. • 부모 프로세스는 자식 프로세스에 자원을 나눠주거나 일부 자원 공유 가능. - 자원의 일부만 사용하도록 제한하면 시스템에 부담을 주는 것을 방지 가능함. - 프로세스 생성 시 획득하는 다양한 물리적, 논리적 자원 외에도 약간의 초기화 데이터가 부모 프로세스에서 자식 프로세스로 전달되는 경우도 있음. • 새로운 프로세스 생성 시 실행과 관련해 다음 두 가지 경우가 가능함. • 부모 프로세스와 자식 프로세스가 동시에 실행됨. • 부모 프로세스는 자식 프로세스들이 모두 종료될 때까지 기다림. • 새로운 프로세스의 주소 공간은 다음 두 가지 경우가 가능함. • 자식 프로세스가 부모 프로세스의 주소 공간을 복사. - 유닉스는 각 프로세스마다 정수로 된 고유한 프로세스 식별자를 가짐. - 새로운 프로세스는 fork()명령에 의해 생성, 주소 공간은 부모 프로세스의 주소 공간을 복사함. - 부모 프로세스와 자식 프로세스의 정보 교환이 쉬움. • 자식 프로세스가 별도의 프로그램을 적재. ※ 윈도우 NT계열은 새로운 프로세스의 주소 공간을 두 가지 방식을 모두 지원.

15. 2. 프로세스 관리 • 프로세스 종료 • 프로세스가 명령 실행 후 종료되고 운영체제에 프로세스 삭제 요청 • 일괄 처리 환경 : 작업 종료를 의미하는 신호로 인터럽트 발생 또는 시스템 호출로 중지명령 전달, 프로세스 완료. • 대화형 환경 : 사용자가 로그오프(Log-off)하거나 터미널을 닫을 때 또는 오류에 의해 프로세스 종료. • abort시스템 호출을 이용한 프로세스 종료. - 종료되는 프로세스를 생성한 부모 프로세스만 호출 가능. - 부모 프로세스가 자식 프로세스의 생존권을 가져 다른 프로세스가 임의로 작업을 중단시킬 수 없음. - 자식 프로세스 종료 시자식 프로세서의 신원(Identity)이 부모 프로세스로 전달. • 부모 프로세스는 아래의 이유로 자식 프로세스 종료 가능 • 자식 프로세스가 할당된 자원을 초과하여 자원을 사용할 때. • 자식 프로세스에 할당된 작업(Task)이 더 이상 없을 때.

16. 2. 프로세스 관리 • 연속 종료 • 시스템이 부모 프로세스 종료 시 자식 프로세스의 존재를 허용하지 않아 종료시키는 현상으로 운영체제가 수행함. - 유닉스에서 exit명령으로 프로세스 종료, 부모 프로세스는 wait명령을 사용하여 자식 프로세스의 종료를 기다림. - wait명령 : 종료된 자식의 프로세스 식별자를 부모 프로세스에 전달함. • 프로세스를 종료하는 경우와 그 예 • 정상 종료 : 프로세스가 운영체제의 서비스를 호출한 경우. • 시간 초과 : 프로세스가 명시된 전체 시간을 초과하여 실행되거나 명시된 시간을 초과하면서 어떤 이벤트 발생을 기다리는 경우. • 실패 : 파일 검색 실패, 명시된 횟수를 초과하여 입출력이 실패한 경우. • 산술 오류, 보호 오류, 데이터 오류 등. • 메모리 부족, 접근 위반 등 • 프로세스 제거 • 프로세스를 파괴하는 것. • 제거 시 프로세스에 속한 자원을 시스템에 돌려주고 해당 프로세스는 시스템 리스트나 테이블에서 사라지며, 프로세스 제어 블록 회수. • 프로그램은 디스크에 저장됨.

17. 2. 프로세스 관리 • 프로세스 중단과 재시작 • 프로세스 중단(일시 정지) • 프로세서의 동작 시간과 입출력 동작 시간의 차이로 시스템의 활동 시간이 유휴 상태로 되는 것을 해결 가능. • 장시간 중단되는 경우 해당 프로세스에 할당된 자원을 다시 풀어주어야 하며, 풀어줄 자원의 결정은 자원의 성질에 따라 결정. • 다중 프로그래밍에서 중단은 자원 부족(대기) 상태를 의미하기도 함. - 다중 프로그래밍 환경에서는 자원의 이용률과 시스템 효율 향상을 위해 자원을 동적으로 할당. - 교착상태 발생 시 문제 생김. - 중단 : 할당된 자원을 기다리는 상태. - 대기 : 자원을 할당 받기 위해 기다리는 상태. • 운영체제는 다음 두 가지 방법으로 프로세스를 실행 가능. • 새로운 프로세스를 생성하여 실행. • 이미 실행 중인 프로세스를 중단시켰다가 다시 실행. - 시스템 전체의 부하를 증가시키지 않으면서 프로세스에 서비스 제공 가능. - 특정 이벤트 발생을 기다리며 대기 상태가 되므로 해당 이벤트 발생 시 즉시 실행 상태로 변화 가능. • 프로세스 재시작 • 중단 원인이 제거되어 프로세스가 다시 실행되는 것. • 중단되었던 프로세스는 중단되었던 지점부터 다시 시작.

18. 2. 프로세스 관리 • 프로세스 중단과 재시작은 다음과 같은 경우에 발생함. • 시스템에 장애가 발생하면 실행 중인 프로세스는 잠시 중단했다가, 시스템이 기능을 회복했을 때 다시 재시작할 수 있다. • 프로세스의 어느 부분이 의심스러울 때 사용자는 실행 중인 프로세스를 중단하여 확인한 후 재시작하거나 정지할 수 있다. • 처리할 일이 너무 많아 시스템 부담이 크면 프로세스 몇 개를 중단했다가 시스템이 다시 정상 상태로 돌아왔을 때 재시작할 수 있다. • 중단과 재시작을 추가한 프로세스 상태 변화(그림 3-10) - 중단 : 프로세스 자신 또는 다른 프로세스에 의해 가능. - 단일 처리 시스템 : 프로세스 자신이 중단시켜야 함. - 다중 처리 시스템 : 다른 프로세서에 의해서도 가능하지만, 다른 프로세서가 재시작 시켜주기 전엔 실행 불가능. [그림3-10] 중단과 재시작을 추가한 프로세스 상태 변화

19. 2. 프로세스 관리 • 프로세스 우선 순위 변경 • 프로세스 제어 블록의 우선 순위 값 변경 가능. • 준비 리스트의 프로세스는 프로세서 중심 프로세스(낮은 우선 순위)와 입출력 중심 프로세스(높은 우선 순위)로 구분. - 우선 순위가 낮은 프로세스 : 시간 할당량을 크게 제공. - 우선 순위가 높은 프로세스 : 시간 할당량을 적게 제공. ※ 입출력 중심의 프로세스를 자주 짧게 사용, 프로세서 중심 프로세스는 사용 횟수는 적으나 한번에 오래 사용하게 하여 균형을 유지함. • 입출력 프로세스 - 높은 우선 순위 : 속도가 느리면서 빠른 응답을 요구하는 단말기 입출력 프로세스. - 낮은 우선 순위 : 속도가 빠른 디스크 입출력 프로세스. • 프로세스 스케줄러는 준비 리스트의 우선 순위를 이용해 프로세스를 처리. • 할당 시간을 초과할 경우 프로세스 실행 상태에서 준비 상태로 변경.

20. 2. 프로세스 관리 • 문맥 교환(Context Switching) • 프로세스 교환 • 실행 중인 프로세스가 인터럽트되면 운영체제가 다른 프로세스를 실행 상태로 변경, 해당 프로세스에 제어를 넘겨주는 과정에서 실행 중인 프로세스로부터 제어를 인수한 운영체제가 또 다른 프로세스에 제어를 넘겨주기 위해 발생. - 인터럽트 처리 루틴을 실행한 후 현재 실행 중인 프로세스가 재실행될 수 있으므로 대부분의 운영체제는 프로세스 교환으로 인터럽트가 발생하지 않음. - 트랩은 시스템이 치명적인 오류인지를 판단, 치명적 오류일 경우 프로세스를 종료하면서 프로세스 교환 발생. • 문맥 교환 • 프로세스를 다른 프로세스로 교환하기 위해 이전 프로세스의 상태 레지스터 내용을 보관하고 다른 프로세스의 레지스터를 적재하는 일련의 과정. - 프로세스가 “준비→실행”, “실행→준비”, “실행→대기”상태로 변할 때 발생. - 오버헤드가 발생하며 오버헤드는 메모리 속도, 레지스터 수, 특수 명령어의 존재에 따라 다르므로 시스템마다 다름. [그림3-11] 문맥 교환 과정

21. 2. 프로세스 관리 • 인터럽트(Interrupt) • 현재실행되는프로세스와 별도로 외부에서 발생되는 여러 종류의 이벤트(입출력 동작의 종료 등)에 의해 발생. • 제어가 인터럽트 처리 루틴으로 넘어간 후에도 기본 시스템 관리 작업을 처리, 인터럽트 형태에 따라 관련된 운영체제 루틴으로 분기. • 대표적인 인터럽트 예 - 입출력 인터럽트 : 입출력 동작이 발생한 사실을 확인 후 이벤트를 기다리는 프로세스를 준비 상태로 변경, 실행할 프로세스를 결정. - 클록 인터럽트 : 현재 실행 주인 프로세스의 할당 시간을 조사하여 실행 중인 프로세스를 준비 상태로 변경, 다른 프로세스를 디스패치하여 실행 상태로 변경. • 트랩(Trap) • 부적절한 파일 접근 또는 현재 실행 중인 프로세스에 의해 발생되는 오류나 예외 상황으로 인해 발생.

22. 3. 스레드 • 스레드 개요 • 프로세스에서 실행 제어만 분리한 실행 단위. • 경량 프로세스(LWP, Light Weight Process)라고도 부름. - 중량 프로세스(HWP, Heavy Weight Process)는 스레드를 하나 가진 작업. • 프로세서를 사용하는 기본 단위이며, 명령어를 독립적으로 실해할 수 있는 하나의 제어 흐름. • 작업 : 스레드의 그룹 환경 - 같은 그룹의 스레드와 코드, 주소 공간, 운영체제의 자원(파일, 신호) 등을 공유. ※ 작업에 스레드가 없으면 아무 일도 할 수 없으므로 반드시 스레드가 있어야 함. • 프로세스는 스레드를 하나 이상 가지며, 각 스레드는 아래 내용을 포함. • 스레드 실행 시의 상태(실행, 준비 등) • 실행 스택 • 지역 변수와 스레드의 특정 데이터를 저장하기 위한 스레드별 정적 저장소 • 프로세스의 다른 스레드가 공유하는 프로세스의 메모리와 자원에 대한 접근 등의 스레드 실행 환경 정보(문맥 정보) [그림3-12] 스레드 구조

23. 3. 스레드 • 스레드의 장점 • 프로세스에 포함된 스레드들은 공통의 목적 달성을 위해 병렬로 수행. - 자원을 공유하여 한 프로세스에서 동시 작업 가능. • 시스템 성능과 효율 향상. - 하나의 프로세스가 서로 다른 프로세서에서 프로그램의 다른 부분을 동시에 실행 가능. - 응용 프로그램 하나가 비슷한 작업들을 여러 개 수행. • 스레드를 이용하여 다음과 같은 이점을 얻을 수 있음. - 사용자에 대한 응답성 증가 : 응용 프로그램의 일부분이 봉쇄 또는 긴 작업 수행 시에도 프로그램 실행을 계속 허용하여 사용자에 대한 응답성이 증가. - 프로세스의 자원과 메모리 공유 가능 : 스레드는 그들이 속한 프로세스의 자원과 메모리를 공유하므로, 응용 프로그램 하나가 같은 주소 공간에서 여러 개의 스레드를 실행, 시스템 성능 향상과 편리함 제공. - 경제성 : 한 프로세스의 자원을 공유하므로 프로세스를 생성하는 것 보다 오버헤드를 줄일 수 있음. - 다중 프로세서 구조 활용 가능 : 다중 프로세서 구조에서 각 스레드는 다른 프로세서에서 병렬로 실행될 수 있음. [그림3-13] 프로세스와 다중 스레드

24. 3. 스레드 • 단일 스레드와 다중 스레드 • 운영체제는 단일 프로세스에서 단일 스레드 실행과 다중 스레드 실행을 지원. • 단일 스레드 프로세스 - 프로세스 하나에 스레드 하나가 실행되는 전통적인 방식으로 스레드의 개념이 불확실함. - MS-DOS • 다중 스레드 프로세스 - 프로세스 하나에 여러 스레드를 실행하는 것을 지원. - 윈도우 NT/XP, 솔라리스 등 [그림3-14] 단일 스레드 프로세스와 다중 스레드 프로세스

25. 3. 스레드 • 다중 스레드의 특징 • 각 스레드를 별도의 프로세서에서 실행하는 측면 다중 프로세싱(프로세서)와 같은 의미. • 동일 프로세스 내의 스레드는 메모리와 파일을 공유하므로, 프로세스 하나에 다수의 실행 단위로 구분된 자원을 공유. • 자원 생성과 관리의 중복성을 최소화하여 실행 능력 향상. • 각 스레드는 커널 개입 없이 서로 통신이 가능하여 독립적으로 실행. • 서버에서 많은 요청을 효과적으로 처리할 수 있는 환경. • 프로세스를 새로 생성하는 것보다 기존 프로세스에서 스레드를 생성하는 것이 빠르고, 같은 프로세스 내 스레드 간 교환이나 스레드 종료 역시 빠름. • 프로세스의 상대적인 무게를 줄여 효율을 극대화하는 것이 목표. • 프로그램 변경 없이 프로세서의 개수에 따라 스레드를 병렬로 처리 가능. • 같은 그룹의 스레드에 프로세서를 할당 또는 스레드 생성 시 중량 프로세서들 사이의 문맥 교환과 비교하여 더 경제적임.

26. 3. 스레드 • 단일 스레드와 다중 스레드 모델 • 단일 스레드 프로세스 모델 - 프로세스를 하나의 스레드, 스레드가 가진 레지스터와 스택으로 표현. • 다중 스레드 프로세스 모델 - 프로세스를 각각의 스레드와 고유의 레지스터, 스택으로 표현, 프로세스 주소 영역을 모든 스레드가 공유. - 프로세스의 모든 스레드는 해당 프로세스의 자원과 상태를 공유, 같은 주소 공간에 존재하며 동일한 데이터에 접근. [그림3-15] 프로세스 관리 면에서 살펴본 단일 스레드와 다중 스레드 프로세스

27. 3. 스레드 • 스레드 용법 • 단일 사용자 다중 처리 시스템 환경 • 시스템 호출이 아닌 사용자 라이브러리 수준에서 스레드 개념을 제공, 빠른 속도. • 프로그램에 비동기적 요소를 구현 가능. • 실행 중인 스레드를 대기 상태로 변경, 다른 스레드로 제어를 이동시키는 상태 변화는 하나의 서버가 많은 요청을 받아들여 처리하는 효과적인 방법. • 공유 메모리 형태의 다중 프로세서 시스템 환경 • 프로그램을 공유 메모리에 저장, 스레드를 각 프로세서에 할당, 병렬 처리하여 프로세서 성능을 매우 향상시킬 수 있음. • 스레드의 단점 • 사용자 수준 스레드는 커널 자체가 스레드 하나로 구성, 시스템 호출 실행 시 해당 스레드가 포함된 전체 작업이 시스템 호출 결과가 돌아올 때까지 대기. [그림3-16] 다중 스레드 환경의 워드 프로세서 실행 [그림3-17] 다중 스레드 환경의 웹 서버 프로세스

28. 3. 스레드 • 스레드의 상태 변화 • 스레드의 특징 • 준비, 실행, 대기, 종료 상태로 구분, 프로세서를 함께 사용하며 항상 스레드 하나만 실행됨. • 한 프로세스에 있는 스레드는 순차적으로 실행, 자신의 정보를 위한 프로그램 카운터와 스택을 가짐. • 스레드 생성 시 운영체제는 부모 프로세스와 공유할 자원을 초기화하지 않음. • 프로세스 내 스레드는 해당 프로세스에서 다른 스레드를 생성, 새로 형성된 스레드를 위한 스택과 레지스터를 제공함으로 프로세스의 생성 및 종료 과정 보다 오버헤드가 적음. • 하나의 스레드가 대기 상태로 변할 때 전체 프로세스를 대기 상태로 변화시키지 않음. - 하나의 스레드가 대기 상태일 경우 다른 스레드 실행 가능. • 서로 독립적이지 않다. - 한 작업에 있는 모든 스레드는 작업의 모든 주소에 접근 가능. • 보호 문제 - 프로세서는 다수의 사용자에게서 발생, 경쟁적인 자원 요구와 서로 다른 관계 유지. - 스레드는 한 명의 사용자가 여러 스레드를 가진 작업 하나를 소유.

29. 3. 스레드 • 스레드의 상태 • 대기 - 스레드가 이벤트를 기다릴 때, 즉 입출력 작업 등이 완료될 때까지 대기(보류) 상태. - 자신의 정보(프로그램 카운터, 스택 포인터 등)를 실행 스택에 저장. • 준비 - 스레드가 프로세서에 의해 실행될 수 있는 상태. - 스레드를 대기시킨 이벤트 발생 시 해당 스레드는 준비 리스트에 삽입됨. • 실행 - 스레드가 프로세서를 점유하여 실행 중인 활성화 상태. • 종료 - 스레드가 작업을 종료하면 자원을 해제, 레지스터 문맥과 스택 할당 제거. [그림3-18] 스레드 상태 변화

30. 3. 스레드 • 스레드 구현 • 사용자 수준 스레드 • 커널 스레드를 지원하지 않는 운영체제에서 사용. • 사용자 수준 스레드 여러 개가 커널 스레드(프로세스) 하나로 매핑되는 방식. • 다중 스레드 프로세스에 대해 프로세서(실행 문맥) 하나를 할당하므로 다대일 스레드 매핑이라 칭함. • 사용자 수준(공간)에서 스레드 관리가 효율적으로 이루어지므로 스레드와 관련된 모든 과정을 응용 프로그램이 수행. • 응용 프로그램은 사용자 수준 스레드 관리를 위한 루틴으로 구성된 스레드 라이브러리(스레드 패키지)를 이용, 다중 스레드로 프로그래밍 가능. • 응용 프로그램은 기본적으로 스레드 하나에서 시작, 해당 스레드에서 실행을 시작함. [그림3-19] 다대일 스레드 매핑과 사용자 수준 스레드

31. 3. 스레드 • 스레드 라이브러리 • 스레드 생성, 종료, 문맥 교환을 위한 코드, 동기화, 메모리 할당, 스레드 간 메시지 전달, 스레드 실행 스케줄링 등의 정보를 포함. • 생성 유틸리티를 통해 스레드가 생성, 제어는 프로시저 호출을 통해 해당 유틸리티로 이동하여 수행. • 사용자 수준 스레드의 장점 • 커널 도움 없이 사용자 주소 공간에 구현된 스레드 패키지로 스레드 연산 실행. • 커널은 연산 과정은 모르고 프로세스를 계속 하나의 단위로 스케줄하고 하나의 실행 상태를 할당. • 커널과 상관 없이 다양한 목적의 응용 프로그램이나 언어 인터페이스의 요구에 적용할 수 있는 융통성을 가짐. • 여러 수준에서 스레드 구현 가능 • 운영체제에 따라 다르며 일반적으로 사용자 수준과 커널 수준, 혹은 혼합한 방식 중 하나를 사용. • 윈도우 2000/XP, Mach, OS/2, 솔라리스 운영체제는 커널 수준 지원, 시스템 호출 제공. • 사용자 수준에서 라이브러리 호출을 통한 지원 가능

32. 3. 스레드 • 사용자 수준 스레드 이용 시 시스템의 장점 • 높은 이식성 - 기본 커널 변경 없이 모든 운영체제에 적용 가능. • 오버헤드 감소 - 스레드 관리를 위한 모든 데이터 구조가 프로세스의 사용자 주소 공간에 있어 커널의 도움 없이 스레드 교환 가능. • 스케줄링의 유연성 - 스레드 라이브러리에서 스레드 스케줄링을 제어하므로 스케줄링이 응용 프로그램에 맞게 적절히 구성됨. • 사용자 수준 스레드 이용 시 시스템의 단점 • 시스템의 동시성 지원 불가 - 한 번에 하나의 스레드만 커널에 접근 가능하므로 여러 스레드가 시스템 호출을 동시에 사용할 수 없음. • 시스템 규모 확장 제약 - 커널이 프로세서 내부의 다중 스레드를 프로세스 하나로 관리, 다중 처리 환경에서 여러 프로세스를 이용한 분산 처리를 할 수 없음. • 스레드 간 보호가 어려움 - 스레드 간의 보호에 커널의 보호 기법을 사용할 수 없고, 스레드 라이브러리에서 스레드 간 보호를 제공해야 프로세스 수준에서 보호됨.

33. 3. 스레드 • 커널 수준 스레드 • 사용자 수준 스레드의 한계를 해결하기 위해 사용자 스레드마다 프로세서(실행 문맥)를 매핑하는 일대일 스레드 매핑을 지원. • 커널에 의해 생성, 삭제되고커널의 텍스트와 전역 데이터를 공유, 자신만의 커널 스택을 가짐. • 사용자 영역에는 스레드 관리를 위한 코드가 없음. - 모든 응용 프로그램은 다중 스레드로 지원, 응용 프로그램의 스레드는 하나의 프로세스에서 지원. - 스레드 관련 모든 작업은 커널(운영체제)이 지원, 프로세스와 스레드에 대한 실행 문맥 정보 유지. • 일대일 모델 구현 운영체제 : 윈도우 NT/XP/2000, 리눅스, 솔라리스 9 이상 버전, OS/2 [그림3-20] 일대일 스레드 매핑과 커널 수준 스레드

34. 3. 스레드 • 커널 지원 부족 문제 해결 • 커널에 의한 직접적인 스케줄링과 실행으로 사용자 수준 스레드의 문제를 해결하여 시스템 성능 향상. • 병렬 실행 가능 • 하나가 시스템 호출 시 다른 스레드가 중단되는 다대일 방식의 문제를 해결할 수 있어 다중 프로세서에서 다중 스레드를 병렬로 실행 가능. • 시스템 규모 확장이 쉬우며 처리량을 늘릴 수 있음. • 커널 모드 전환 오버헤드 • 커널 스레드 생성으로 인한 오버헤드 증가로 응용 프로그램의 성능 저하를 막기 위해 시스템이 지원 스레드 수를 제한해야 함. • 사용자 수준 스레드보다 스케줄링과 동기화를 위해 자원이 더 필요함. • 시스템이 모든 스레드를 관리하므로 오버헤드 증가. • 이식성이 떨어짐 • 시스템 변경 시 제공된 스레드 API(Application Program Interface)를 사용하여 프로그램을 수정. • 제한적인 자원으로 인해 사용자 수준 스레드 생성에 따라 커널 스레드를 무한정 생성할 수 없음.

35. 3. 스레드 • 혼합형 스레드 지원 • 스레드 생성은 사용자 영역에서, 여러 개의 사용자 수준 스레드에 여러 개의 커널 스레드가 매핑되는 다대다 스레드 모델. • 사용자 수준 스레드 생성 시 커널 수준 스레드를 생성, 성능 감소. • 시스템 호출 시 다른 스레드가 중단되는 문제를 해결하기 위한 방법. • 다대다 모델 구현 운영체제 : 솔라리스(Solaris) • 솔라리스 2 스레드 (그림 3-20) ① 작업 - 일반적인 프로세스 ② 사용자 수준 스레드 - 응용 프로그램의 병렬 처리를 위한 인터페이스. - 프로세스의 주소 공간에 있는 스레드 라이브러리를 통해 실행. ③ 경량 프로세스 스레드 - 하나 이상의 사용자 수준 스레드 지원. - 커널 스레드 하나에 매핑. - 커널에 의해 독립적으로 스케줄링. - 다중 프로세서에서는 병렬로 실행. ④ 커널 스레드 - 프로세서에서 실행되기 위해 디스패치되며 스케줄링됨. [그림3-21] 솔라리스 2 스레드

36. 3. 스레드 • 자원과 입출력 대기를 위한 대기가 경량 프로세스 단위로 이루어짐. • 스레드는 하나의 커널 스레드와 경량 프로세스(LWP)가연결됨. • 각 작업(프로세스)은 경량 프로세스를 한 개 이상 가지며, 경량 프로세스는 대응하는 커널 스레드를 가짐. • 어떤 작업의 경량 프로세스가 입출력 완료를 기다리더라도 프로세서는 그 작업의 다른 경량 프로세스로 이동하여 작업을 계속 수행할 수 있음. • 스레드 라이브러리가 최적의 성능을 지원 • 경량 프로세스의 수를 동적으로 조절, 사용자 수준 스레드와 커널 수준 스레드를 다대다 스레드 매핑함. • 다대다 스레드 매핑은 스레드 풀링 기법을 통해 일대일 스레드 매핑에서의 오버헤드를 줄여줌. • 스레드 활용 운영체제 예 • 매크(Mach) - 다중 스레드 시스템, 커널은 여러 개의 요청을 동시에 서비스할 수 있음. - 스레드 자신은 동기적. • 유닉스 커널 - 단일 작업(Single-Tasking). - 하나의 프로세스만 수정하는 것을 허용하여 데이터 제어의 동시성 문제 해결 가능. • 스레드가 비동기적 시스템 - 록킹(Locking) 기능 필요.