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스레드

정의

스레드는 프로세스 내의 여러 실행 흐름의 단위이다.

특징

프로세스내의 스레드끼리는 Stack을 제외한 메모리 공간 (Code, Data, Heap)을 공유한다. 메모리 공간을 공유하기 때문에 하나의 스레드에서 오류가 발생한다면 다른 스레드에서 영향을 받을 수도 있다.

독립적으로 할당되는 자원

그렇다면 스레드마다 별도로 할당되는 자원에는 어떤게 있을까? Stack과 Reigster가 있다.

각 스레드가 독립적인 Stack을 가지는 이유는 함수의 실행과 연관된다. 독립적으로 Stack을 가진다는 말은 곧 독립적인 함수 호출이 가능하다는 뜻이다. 즉 프로세스 내에서 독립적인 실행 흐름을 만들 수 있다는 것이다. 때문에 Stack은 각 스레드마다 별도로 가지고 있어야 한다.

그리고 스레드는 별도의 Register를 가지는데 여기서 의문이 있을 것이다. Register는 프로세서에 있는 친구아닌가?

여기서 말하는 Register란 현재 스레드의 실행 정보가 저장된 상태값이다. 시분할 시스템에서는 문맥교환이 발생하게 되는데 문맥교환이 발생하면 스레드의 경우는 Code, Data, Heap은 공유하기 때문에 자신의 Stack 상태와 어디까지 실행했는지에 대한 정보(PC)만 저장하면 된다. 이 때, 현재 상태가 저장되기 때문에 Register 값이 저장되게 되는 것이다.

이러한 이유로 각 스레드는 Register를 별도로 가진다고 하는 것이다.

문맥교환 (Context Switching)

문맥교환이란 하나의 프로세스가 CPU를 사용 중인 상태에서 다른 프로세스가 CPU를 사용하도록 하기 위해, 이전의 프로세스의 상태를 보관하고 새로운 프로세스의 상태를 적재하는 작업을 말한다. 한 프로세스의 문맥은 그 프로세스의 PCB에 저장되어 있다.

발생 상황

문맥교환은 인터럽트 발생, 실행중인 프로세스의 CPU 허용 시간 초과, 입출력 대기시에 발생하게 된다.

문맥교환을 하는 동안에 CPU는 아무것도 하지 않게 된다. 그럼에도 불구하고 문맥교환을 하는 이유는 I/O와 같은 작업이 발생하여 CPU가 블록되는 시간이 문맥교환 시간보다 길기 때문에 문맥교환을 하여 다른 프로세스를 실행하는 것이 CPU 사용률을 높일 수 있기 때문이다.

멀티 스레드

멀티 스레드란 하나의 프로세스를 여러 개의 스레드로 구성하여 자원을 공유하며 작업을 수행하는 것을 의미한다.

특징

멀티 스레드는 하나의 프로세스의 자원을 공유하기 때문에 멀티 프로세스보다 더 적은 메모리를 차지한다.그리고 메모리(Code, Data, Heap)를 공유하기 때문에 문맥교환 속도가 더 빠르다.

하지만 오류로 인해서 하나의 스레드에 문제가 발생하게 된다면 전체 스레드에 영향을 줄 수도 있다. 그리고 메모리를 공유하기 때문에 동기화에 신경써서 프로그래밍해야 한다.

멀티 스레드 vs 멀티 프로세스

일반적으로 멀티 스레드 방식을 더 많이 사용한다. 왜 그럴까?

멀티 스레드 방식의 경우 문맥 교환을 할 때, 스택 영역만 초기화하면 되기 때문에 속도가 빠르다. 그리고 프로세스의 경우 생성할 때 시스템콜을 호출하게 되기 때문에 멀티 스레드 방식에 비해서 비효율적이다.

  • 시스템콜 : 사용자나 응용프로그램이 커널에서 제공하는 기능을 사용하기 위한 인터페이스를 의미한다.
    • 커널이 제공하는 서비스를 시스템콜을 통해서만 접근하게 제한함으로써 컴퓨터 자원을 보호하면서 사용자나 응용프로그램에게 서비스를 제공할 수 있게 된다.

정리

스레드는 프로세스 내의 여러 실행 흐름 단위로서 프로세스의 자원을 사용하게 된다.

프로세스 내에 여러 스레드가 있을 때, 스레드끼리 메모리(Code, Date, Heap)을 공유하며 Stack, Register는 별도로 가진다.

일반적으로 멀티 프로세스 방식보다는 멀티 스레드 방식을 많이 사용한다.

참고

  • 면접을 위한 CS 전공지식 노트
  • Operating System Concepts

참고