KOCW_Thread

✅ Thread

thread is a lightweight process
basic unit of CPU utilization
프로세스 내에서 CPU의 수행 단위

• 프로세스는 하나만 띄워두고 수행단위thread를 여러개 두기
• thread는 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위
• thread는 프로세스의 특정한 수행 경로

• thread는 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위

• 👍🏻 thread는 프로세스의 자원과 메모리를 공유한다.
  • 👍🏻 쓰레드 간 효율적인 통신 가능
  • 👍🏻 쓰레드는 생성이 빠르다
• 👍🏻 context switching을 줄인다(overhead⬇️)

- 예를 들어, 웹서핑을 하는데/워드 파일을 편집하는데 여러 개의 창을 띄워놓고 하고 있다고 가정해보자
- 만약 한 개의 창마다 각각의 process라고 한다면
- 실행되는 code는 모두 같고
- 각 process의 data, stack만 다를 것이다.
👎🏻 비효율적

👍🏻 동일한 프로그램을 쓸 때는 프로세스를 여러개 만들지 말고, 한개만 만들자
그래서 code, data, stack은 하나만 만들고,
대신 PC(프로그램에 어디를 실행하고 있는가)만 다르게 하자.

✅ Thread의 구성

• ✔️ Thread가 독자적으로 가지는 부분(CPU 관련 부분)
• PC program counter
• register set

• stack set: 함수호출과 관련된 부분

• ✔️ Thread가 공유하는 부분(task)
• 나머지 부분들은 동일 프로세스 안에 있는 Thread끼리 공유한다.
• code section
• data section
• OS resources

✅ TCB

Thread Control Block
쓰레드 제어 블록

• 각 thread는 별도의 stack, TBC를 가진다.
• TBC에는 쓰레드 상태 정보, register, 우선순위등을 포함한다.

✅ Thread의 장점

• 👍🏻 resource sharing
• share binary code, data, resource of process
• communication among thread

• 쓰레드는 자원을 공유하기 때문에 쓰레드 간 교환이 프로세스 간 교환보다 빠르고 효율적이다.

• 👍🏻 communication
• 프로세스 간 통신은 kernel이 개입해야 하지만

• 같은 프로세스 간 통신은 메모리와 파일을 공유하기 때문에 커널 호출 없이 효율적으로 통신 가능

• 👍🏻 responsiveness
• 응답성이 빠르다
• if one thread is blocked(network) another thread continues
• 다중 thread 태스크에서는 하나의 서버 thread가 blocked(waiting)상태여도 동일한 태스크 내의 다른 thread가 running할 수 있다.
• 만약 thread가 없다면, 프로세스가 I/O를 하면 blocked(waiting)상태가 될 것이다. 프로세스는 CPU를 빼앗기게 된다.
• 하지만 다중 thread에서는 하나의 thread가 I/O를 해도 다른 thread가 running, CPU를 빼앗기지 않는다.
• 예를 들어, 검색창에 URL을 넣고 새로운 페이지를 불러올 때 I/O작업이므로 프로세스를 blocked하고 기다리면, 유저는 답답🙁

• 따라서 html만이라도 하나의 thread가 빨리 불러오고, 또 다른 thread가 이미지 URL을 불러와서 유저 입장에서 빨리 보여지는 것처럼 보이게 한다.

• 👍🏻 economy
• creating, CPU switching thread is much lightweight than process creation and context switching
• 프로세스는 fork를 통해 자식에게 모든 정보를 복사해야 함
• 하지만 쓰레드는 공유하지 않는 일부만 복사해서 생성할 수 있음 pthread_create()

• ➡️ multithreading

• 👍🏻 Utilization of MP Architectures
• 여러개의 CPU가 있는 환경에서는 병렬성을 추가할 수 있다

• each thread may be running parallel on a different processor

• 👍🏻 비동기식 I/O를 가능하게 한다.
• 하나의 thread가 I/O 요청하고 결과 기다리는 동안, 다른 thread는 결과가 필요 없는 다른 일을 먼저 한다.

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• ❓ 왜 쓰레드 간 교환이 더 빠를까?
• 쓰레드 간에는 공유 데이터가 존재하기 때문에

• 공유하지 않는 부분만 교환하면 된다.

• ❓ 왜 쓰레드 간 교환이 더 효율적일까?
• 프로세스 간 context switching가 일어나면 이전에 cache에 저장되어 있던 데이터는 의미가 없어짐
• 프로세스 간에는 공유 데이터가 없기 때문 ❌(프로세스 A의 캐시 데이터는 프로세스 B에게는 의미가 없음)
• 하지만 쓰레드는 프로세스 자원을 공유
• 쓰레드 간 switching이 일어난 경우 이전 쓰레드의 공유자원에 대한 cache는 의미있는 정보이다.
• (쓰레드 A의 캐시 데이터가 쓰레드 B에게도 의미가 있음)
• 따라서 쓰레드 간에는 공유하는 데이터가 있기 때문에 switching이 일어나도 이전 cache에 대한 이점이 있다.

✅ Multithreading

• 여러개의 쓰레드가 프로세스의 자원을 공유하며 작동
• 👎🏻 쓰레드 간 race condition발생 가능
• 👎🏻 쓰레드 간 공유자원에 대한 동기화 필요
• 👎🏻 멀티쓰레딩은 디버깅이 까다롭다.

✅ Implementation of threads 쓰레드 구현 방법

• ✔️ kernel-level thread
• kernel이 thread의 존재를 알게 구현
• threads supported by kernel
• kernel이 쓰레드와 관련된 모든 작업 수행
• kernel이 thread A에서 thread B로 CPU를 넘겨야지 정함
• 👍🏻 쓰레드 단위로 스케쥴링 할 수 있다.
• 👍🏻 따라서 멀티프로세서 환경에서 여러 쓰레드를 동시에 처리 가능

• 👎🏻 쓰레드 간 context switching이 자주 발생, 오버헤드

• ✔️ user-level thread
• thread supported by library
• 프로그래머가 쓰레드 라이브러리를 사용해서 멀티쓰레딩 프로그램 작성
• 운영체제 kernel은 thread의 존재를 모른다.
• 운영체제는 그냥 process에게 CPU를 주고, 그 process내에서 thread끼리 CPU넘기기
• 쓰레드 라이브러리는 쓰레드 생성/제거, 쓰레드 간 메세지/데이터 전달, 쓰레드 스케쥴링, 쓰레드 간 교환에 대한 코드를 포함한다.
• 🆚 쓰레드 간 교환에서 kernel은 프로세스 단위로 스케쥴링을 한다
• 쓰레드 간 context switching도 쓰레드 라이브러리가 제공
• kernel의 개입이 필요 없음
• 👎🏻 만약 한 프로세스의 특정 쓰레드가 block되면, kernel은 프로세스를 통째로 block

• 👎🏻 그래서 나머지 쓰레드도 다 block

• ✔️ real time thread

kernel-level thread 🆚 user-level thread

• kernal-level thread
  • kernel realizes thread
  • scheduling done by thread unit
• user-level thread
  • kernel does not realize thread
  • scheduling done by process unit