Chapter 4: Threads

Chapter 4: Threads

2021. 12. 10. 18:45ㆍOperating System

본 게시글은 Operating System Concepts - 9th Edition(공룡책)을 바탕으로 쓰여졌습니다

목표

thread의 개념 소개
Pthread, Windows, Java thread 라이브러리
implicit threading
multithreaded programming 관련 문제
Windows 와 Linux의 threads

Thread

실행 흐름
CPU의 기본 단위
멀티스레드 컴퓨터 시스템의 기본
대부분 applications은 멀티스레드
스레드는 application 안에서 작동
스레드 생성은 프로세스 생성에 비해 가벼움
코드를 간결화하고, 효율성을 높임
kernels은 일반적으로 멀티스레드

Multithreaded Server Architecure

Benefits

책임감(responsiveness) - (특히 UI에서) 프로세스의 부분이 고장나도 실행을 계속
자원 공유(resource sharing) - 프로세스의 자원을 더 쉽게 공유 (shared memory, message passing보다 쉬워)
경제적(Economy) - 프로세스 생성보다 쌈, thread switching은 context switching보다 oberhead가 낮음
확장성(Scalability) - 프로세스는 멀티 프로세서의 구조를 사용할 수 있음

Single and Multithreaded Processes

Multicore Programming

Multicore 나 Multiprocessor는 프로그래머에게 부담을 줌

고려 사항

Dividing Activities: task가 각 코어에 독립적으로 실행되도록 나눔
Balance: 병렬로 실행될 task를 전체 작업에 균등한 기여도를 가질 수 있도록 분배
Data Splitting: task에서 사용하는 데이터는 개별 코어에서 사용가능하도록 나눔
Data Dependency: task가 접근하는 데이터는 2개 이상 task 사이에 종속성이 있는가
Test and Debugging

Parallelism(병렬성)

시스템이 동시에 한가지 이상의 업무를 수행

data parallelism: 같은 데이터의 부분 집합을 multiple core에 분배, 각각 같은 일을 함
task parallelism: 쓰레드를 core전역에 분배, 각 쓰레드는 고유의 일을 함

Concurrency(병행성)

동시에 실행되는 것처럼 보이는 것

User Threads and Kernel Threads

User Threads

사용자 수준의 thread 라이브러리에서 관리
예) POSIX Pthread, Windows threads, Java threads

Kernel Threads

커널에 의해 지원
예) Windows, Solaris, Linux, Tru64 Unix, Mac OS X

Multithreading Models

user thread와 kernel thread간의 관계

Many-to-One

user thread : kernel thread = n : 1
쓰레드 1개의 blocking이 모든 block을 만듬

One-to-One

user thread : kernel thread = 1 : 1
user thread만들면 kernel thread 만들어짐
더 동시성을 가짐
프로세스 당 쓰레드의 수는 overhead때문에 제한됨

Many-to-Many Model

user thread : kernel thread = n : m
OS가 많은 kernel thread생성하게 함

Two-level Model

user thread > kernel thread
Many-to-Many와 유사, 1 : 1관계도 가능

Implicit Threading

thread 수 증가 -> 프로그램 correctness 문제 explicit thread로는 어려워짐
thread의 생성 및 관리가 compiler와 run-time 라이브러리들이 함

Threading Issues

Signal Handling

Signals

특정 이벤트가 발생했다고 process에게 알리기 위해 UNIX에서 사용됨

특정 이벤트에 의해 생성됨
프로세스에게 전달됨
signal handler에 의해 관리됨 - defalut or user-defined
모든 signal은 kernel이 운영하는 default handler가짐
user-defined signal handler는 default를 override할 수 있음
단일 스레드 프로그램에서 signal은 프로세스로 바로(straightforward)전달
signal은 어디 multi-threaded로 배달되어야 하는가?

signal이 사용되는 스레드
프로세스 내의 모든 스레드
프로세스 내의 특정 스레드
모든 signal을 받도록 특정 스레드 지정

Thread Cancellation

thread가 끝나기(finish)전에 그것을 강제 종료(terminate)시키는 작업

target thread: 취소될 thread
2가지 approaches

Asynchronous cancellation(비동기식): 취소 요청을 받으면 즉시 취소
Deffered cancellation: 취소요청을 받고, target thread가 자신이 강제 종료 되야 할지를 점검

thread가 cancellation point에 도달할 때만 cancellation발생
thread가 cancel이 불가하면 cancellation을 가능할 때까지 pending함
Linux에서는 signal이 요청 전달

Thread-Local Storage(TLS)

각 쓰레드가 자기 자신의 데이터 복사본을 가짐
자기만 접근할 수 있는 데이터
쓰레드 생성 프로세스에 통제권이 없을 때 유용
static data와 유사
local variable은 하나의 함수내에서만 가능, TLS는 전역적으로 사용 가능

Scheduler Activations

Many-to-Many 모델과 Two-level모델은 적정 수의 kernel thread를 유지하기 위해 communication 필수
lightweight process(LWP)라는 user thread와 kernel thread 사이의 데이터 구조 사용
LWP: 프로세스가 실행할 user thread를 스케쥴링 할 수 있는, lernel thread에 붙어있는 것
scheduler activations은 upcalls을 제공
upcalls: kernel부터 쓰레드 라이브러리 안에 upcall handler까지 communication 메커니즘

출처

https://luv-n-interest.tistory.com/447

https://nesoy.github.io/articles/2018-09/OS-Concurrency-Parallelism

https://lazymankook.tistory.com/32

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