Lecture #4

1. Lecture #4 쓰레드(Thread) 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

2. “프로세스” 란?(1) • 실행중인 프로그램 • 실행하기 위해 메모리에 적재되어거나 준비중인 프로그램 • 사용자가 프로그램을 실행시키면 “process”가 생성 • 프로세스 상태(process states) • 5-state process model: ready, running, blocked, new, stop • 7-state process model: 5-state process model + suspended state • 프로세스 이미지(process image) • program, data, stack • PCB(process control block) 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

3. “프로세스” 란?(2) • Process Switching • 프로세스의 상태 변환 • Process context switching • 병렬 실행(Concurrent processing) on SMP Machine • 프로세스간의 통신(Interprocess communication) • 프로세스간의 데이터 전송 • Signal, Pipe, Shared Memory, Message Queue 등 • Kernel에 의해 수행 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

4. 프로세스 특성(1) • 자원 할당의 단위(Unit of resource ownership) • 프로세스가 실행에 필요한 자원이 프로세스 단위로 할당된다 • 프로세스 이미지(process image)를 가지는 메모리 공간 • 다양한 자원(files, I/O devices...)에 대한 제어 • 프로세서실행의 단위(Unit of dispatching) • 프로세스는 프로그램에서 하나의 실행 패스(path) 이다 • 프로세서는 여러 개의 프로세스에 의해 공유된다 • 각각의 프로세스는 실행 정보와 실행 우선순위를 갖는다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

5. 프로세스 특성(2) • 최근 위의 두 가지 특성이 독립적으로 정의되고 있다 • 자원 할당 단위와 프로그램 실행 단위를 분리 • 프로세서 실행 단위(unit of dispatching)  athread or a LWP(lightweight process) • 자원 할당 단위 (unit of resource ownership)  a process or a task 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

6. Multithreading vs. Single threading • Multithreading: when the OS supports multiple threads of execution within a single process • Single threading: when the OS does not recognize the concept of thread • MS-DOS support a single user process and a single thread • UNIX supports multiple user processes but only supports one thread per process • Solaris supports multiple threads 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

7. Threads and Processes 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

8. Threads(1) • 프로그램 실행 단위 또는 프로그램 실행 패스(path) • 하나의 프로세스는 여러 개의 thread로 구성 • Thread는 실행 상태를 갖는다(running, ready, blocked etc.) • 실행 상태가 변할 때에 thread context switching이 수행된다 • Thread 별로 프로그램 실행 스택(execution stack)과 지역 변수를 위한 메모리를 갖는다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

9. Threads(2) • 프로세스에 할당된 메모리 영역과 자원을 접근한다 • 하나의 프로세스를 구성하는 모든 쓰레드는 프로세스의 자원을 공유한다 • 하나의 쓰레드가 메모리 내용을 변경하면 다른 모든 쓰레드는 그 메모리 내용을 접근할 수 있다 • 하나의 쓰레드가 파일을 열면 다른 쓰레드가 그 파일을 접근할 수 있다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

10. Single Threaded and Multithreaded Process Models Thread Control Block contains a register image, thread priority and thread state information 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

11. Threads States • Three key states: running, ready, blocked • 동일한 프로세스을 구성하는 쓰레드는 메모리 공간을 공유하므로 중단 상태(suspend state)을 갖지 않는다 • 하나의 쓰레드를 suspending (i.e: swapping) 하는 것은 동일한 프로세스의 모든 쓰레드를 suspending 하게 된다 • 프로세스 종료는 프로세스 내의 모든 쓰레드를 종료한다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

12. Thread 응용(1) • 응용 #1: a file server on a LAN • 짧은 기간에 여러 개의 파일 접근 요청을 처리하여야 한다 • 각각의 파일 접근 요청에 대해 하나의 thread를 생성하는 것이 훨씬 효과적이다 • SMP machine의 경우: 여러 개의 쓰레드가 각각 다른 프로세서에서 동시에 실행할 수 있다 • Web server 등 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

13. Thread 응용(2) • 응용 #2: User Interface thread on Windows • 하나의 쓰레드는 메뉴를 생성하여 사용자 입력을 받고 다른 쓰레드는 사용자 명령을 처리한다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

14. Thread 응용(3) • 응용 #3: 순서대로 실행할 필요가 없는 여러 개의 독립적인 부분으로 구성되어 있는 응용 • 각각의 독립적인 부분을 쓰레드로 구현한다 • 하나의 쓰레드가 입력 동작에 대한 대기 상태가 되면 다른 쓰레드가 실행 상태로 전환된다 (thread switching instead of switching to another process) 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

15. Thread 장점(1) • 프로세스 보다 새로운 쓰레드를 생성하는데 시간이 덜 걸린다 • 프로세스 보다 쓰레드를 종료하는데 시간이 덜 걸린다 • 동일한 프로세스에 있는 두 개의 쓰레드 사이의 전환이 더 적은 시간을 소요한다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

16. Thread 장점(2) • 동일한 프로세스에 있는 쓰레드는 메모리 및 파일 등의 자원을 공유하므로 커널(kernel)의 도움없이 상호간에 통신할 수 있다 • 따라서, 공유되는 메모리나 파일에 대해 일관성 있는 접근을 지원하기 위해 쓰레드 간의 동기화가 필수적으로 요구된다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

17. 일관성 없는 데이터 접근의 예 • 3 variables: A, B, C which are shared by thread T1 and thread T2 • T1 computes C = A+B • T2 transfers amount X from A to B • T2 must do: A = A -X and B = B+X (so that A+B is unchanged) • But if T1 computes A+B after T2 has done A = A-X but before B = B+X then T1 will not obtain the correct result for C = A + B • The resource sharing requires the synchronization between threads 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

18. Process와 Thread 비교(1) • 하드 디스크로 부터 필요한 데이터를 읽어 오는 producer 모듈과 읽어온 데이터를 처리 하는 consumer 모듈로 구성된 프로그램 • Producer 모듈과 consumer 모듈은 병행 수행(concurrent execution)이 가능하다 • 프로그램 실행 모델 • Single process execution • Multiple process execution • Multithreading execution 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

19. Producer Hard Disk Main memory (shared memory) Consumer Process와 Thread 비교(2) • Single process execution : • Sequential execution Process 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

20. Main memory (Shared Memory) Producer process Consumer process Hard Disk Process와 Thread 비교(3) • Multiple process execution : • Concurrent execution with high communication overhead Kernel 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

21. Producer Thread Hard Disk Local memory Consumer Thread Kernel Process와 Thread 비교(4) • Multithreading execution : • Concurrent execution with low communication overhead Process 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

22. User-Level Threads (ULT) • 커널은 쓰레드 존재를 알지 못하며 프로세스을 관리 한다 • 응용 프로그램이 thread library을 이용하여 모든 쓰레드를 관리한다 • Thread switching은 kernel mode privileges을 요구하지 않는다 (no mode switch) • 쓰레드 간의 실행 스케줄링은 응용 프로그램에 의해 정의된다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

23. Threads library • 다음 작업을 수행하는 코드를 지원한다: • 쓰레드 생성과 종료 • 쓰레드 간의 메시지와 데이터 전달 • 쓰레드 실행 스케줄링 • 쓰레드 문맥 전환(thread context switching) 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

24. ULT에 대한 커널 동작 • 커널은 쓰레드 존재 여부를 알지 못하며 프로세스 동작 만을 관리한다 • 쓰레드가 시스템 콜을 요구하면 프로세스 전체가 대기 상태가 된다 • Thread library에 대해서는 프로세스가 대기 상태에 있더라도 현재의 쓰레드를 실행 상태로 인식한다 • 쓰레드 상태는 프로세스 상태와 독립적이다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

25. 장 점: Thread switching이 커널과 상관없이 이루어진다: no mode switching Thread scheduling이 응용 프로그램에 의해 정의 할 수 있다 응용 프로그램에 가장 적합한 스케줄링 알고리즘을 선택할 수 있다 ULT은 어떠한 운영체제에서도 실행할 수 있다 단지 thread library가 필요하다 ULT 장점 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

26. 문제점: 대부분의 시스템 콜에 대해 커널은 프로세스를 대기 상태로 전환시킨다 프로세스 내의 모든 쓰레드가 대기 상태가 된다 커널은 프로세스를 프로세서(CPU)에 할당한다 프로세스 내의 두 개의 쓰레드는 다중 프로세서가 있더라도 동시에 실행할 수 없다 ULT 문제점 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

27. Kernel-Level Threads (KLT) • 커널이 모든 쓰레드 관리를 수행한다 • thread library가 없으며 커널 쓰레드 기능에 대한 API가 지원된다 • 커널은 프로세스와 쓰레드에 대한 문맥 정보(context information) 을 유지한다 • 커널이 쓰레드 간의 전환을 수행한다 • 커널이 쓰레드 스케줄링을 수행한다 • 예: Windows NT and OS/2 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

28. 장 점: 커널은 쓰레드 수준에서 프로세서 스케줄링을 수행한다 커널은 하나의 프로세스 내의 쓰레드가 다중 프로세서에서 동시에 실행될 수 있도록 스케줄링 한다 쓰레드 수준에서 blocking이 수행된다 하나의 쓰레드가 시스템 콜로 대기 상태가 되더라도 프로세스 내의 다른 쓰레드는 실행 상태를 유지한다 커널 루틴 자체도 multithread로 구성할 수 있다 KLT 장점 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

29. 문제점 프로세스 내의 쓰레드 전환(thread switching)이 커널에 의해 수행된다 쓰레드 전환 오버헤드가 크다 프로그램 실행 속도가 떨어진다 KLT 문제점 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

30. Combined ULT/KLT Approaches • 쓰레드 생성은 응용 프로그램에 의해 수행 • 쓰레드 스케줄링과 동기화가 사용자 공간에서 수행 • 사용자는 KLTs 개수를 조정한다 • 예: Solaris 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

31. Solaris • Process includes the user’s address space, stack, and process control block • User-level threads (threads library) • invisible to the OS • are the interface for application parallelism • Kernel threads • the unit that can be dispatched on a processor • it’s structures are maintainedby the kernel • Lightweight processes (LWP) • each LWP supports one or more ULTs and maps to exactly one KLT • each LWP is visible to the application 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

32. Process 2 is equivalent to a pure ULT approach Process 4 is equivalent to a pure KLT approach We can specify a different degree of parallelism (process 3 and 5) 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

33. Solaris: versatility • We can use ULTs when logical parallelism does not need to be supported by hardware parallelism (we save mode switching) • Ex: Multiple windows, but only one is active at any one time • If threads may block then we can specify two or more LWPs to avoid blocking the whole application 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

34. Solaris: user-level thread states (attached to a LWP) 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

35. Solaris: Lightweight Process States LWP states are independent of ULT states (except for bound ULTs) 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제