[OS] 스레드(Thread)

스레드(Thread)란? 

스레드(Thread)는 프로세스(Process) 안에서 실제로 작업을 수행하고 있는 하나의 주체이다.

프로세스가 실행되고 있는 프로그램 (참고 : [🖥️ Computer Science/OS] - [OS] 프로세스 vs 프로그램)이라면, 스레드는 프로세스 안에서 진행되는 실행의 흐름이다. 스레드는 오직 한 프로세스 안에만 속해있다.

 

스레드는 프로세스의 특징을 지니기 때문에 경량 프로세스(lightweight process)라는 이름을 가지고 있기도 하다.

그렇다면 프로세스만 사용하면 되지 스레드까지 귀찮게 또 만들어서 사용하는 것일까?

 

예시를 들어보면 다음과 같다. (이 예시는 인파님 블로그의 설명을 참고하였음을 밝힌다.)

예를 들어 크롬이라는 프로세스가 실행되고 있다고 하자. 이때 크롬 버튼을 두번 누르면 크롬 '프로세스'가 두 번 실행된다. 하지만 스레드는 다르다. 우리는 크롬을 통해 파일을 다운받으면서 노래를 듣기도 하고 웹 서핑을 하기도 한다. 즉, 크롬이라는 프로세스 내에서도 여러가지 작업의 흐름이 있는 것이다. 이 각각의 작업 흐름을 우리는 스레드라고 한다.

 

지렁이 같이 생긴 아이가 thread이다! 스레드는 '흐름'을 말하기 때문에 지렁이처럼 표현한 것이다.

한편 지렁이가 끊겨 있는 모습도 보이는데 이처럼 스레드는 context-switching을 통해 번갈아가면서 실행되는 모습을 나타낸 것이다. 

 

한편, 한 프로세스에서는 최소한 무언가라도 실행되어야 할 것이므로 최소 한개의 스레드는 존재한다. 그리고 스레드가 여러개인 프로세스를 멀티스레드 프로세스라고한다.

 

 

위 그림을 보면 한 프로세스의 스레드들이 어떻게 자원을 사용하는지 알 수 있다. 스레드 1,2,3은 CPU관련, 즉 실행 관련한 정보들 기준으로 나누고(무엇을 실행하는지에 따라 나누고) 나머지 자원은 다 공유한다. 이처럼 멀티스레딩 기법을 이용하면 프로세스들끼리 자원을 공유하는 것보다 훨씬 자원을 쉽게 공유할 수 있다.

 

여기서 또 스레드의 정의를 다르게 표현해보면 "CPU utilization의 기본 단위" 라고 할 수 있겠다. 

또한 스레드는 실행 흐름이기 때문에 각각의 스레드마다 레지스터 정보나 PC 등이 다 다를 것도 자연스럽게 추측할 수 있겠다.

 

멀티 스레드 vs 멀티 프로세스

멀티 스레드는 한 프로세스 내에서 여러 스레드를 수행하는 것을 의미한다. 그렇다면 왜 굳이 멀티 프로세스를 사용하지 멀티 스레드까지 쓸까?

• 일단 프로세스를 생성하고 끝내는 것보다 스레드를 생성하고 끝내는 것이 overhead가 적다
• 메모리 공유가 쉽고 메모리 낭비가 적다. 
  • 멀티 프로세스의 경우 shared-memory를 이용하거나 message-passing기법을 이용하는데 이건 꽤나 불편할 수 있다.
  • 하지만 멀티 스레드인 경우 프로세스 안의 자원은 공유하고 스택을 따로 만들어 자신의 자원을 따로 저장하므로 메모리 공유가 쉽다. 
  • 즉 프로세스는 서로 메모리를 공유하지 않지만 스레드는 서로 매우 쉽게 공유한다.
  • 또한 멀티 프로세스의 경우 프로세스 별로 각각 메모리를 할당하지만 스레드는 한 프로세스 내에서 할당하므로 메모리 낭비도 적다.
• 한 스레드가 실행될 때 다른 스레드도 실행될 수 있어 사용자 입장에서 편리하다.

그림 출처 : https://inpa.tistory.com/entry/%F0%9F%91%A9%E2%80%8D%F0%9F%92%BB-%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%84%B8%EC%8A%A4-%E2%9A%94%EF%B8%8F-%EC%93%B0%EB%A0%88%EB%93%9C-%EC%B0%A8%EC%9D%B4

 

메인 스레드 & 서브 스레드

• main thread는 프로그램의 실행을 시작하는 주 스레드를 가리키는 개념이다.

대부분의 운영 체제에서는 프로그램이 시작될 때 main 스레드가 생성되고, 보통 main 스레드는 프로그램의 진입점인 main() 함수를 실행한다.

main 스레드는 다른 스레드를 생성하고 관리하는 역할을 수행한다. 예를들어 멀티스레드 프로그램에서 main thread는 초기화 작업, 자원할당, 스레드 생성 등을 수행한다. 또한 main thread가 종료되면 프로그램 전체가 종료될 수 있다.

 

• Sub thread는 주로 main thread 이외의 스레드를 가리키는 용어이다. 일반적으로 main thread 이외의 스레드를 sub thread라고 부른다.

 

 

멀티 스레드 예시

(참고 : https://modoocode.com/269)

병렬 가능한(Parallizable) 작업들

• 1~10000까지 더하는 작업

싱글스레드로 하면 1~10000까지 한 스레드가 다 하게 된다.

하지만 멀티스레드로 1~1000, 1001~2000, ....,90001~10000 이런식으로 나눠서 처리한다면?

CPU 코어에서 덧셈 한번에 1초가 걸린다고 가정해보자. 이때 단일 쓰레드로 계산하면 총 10000초가 걸릴 것이다.

하지만 멀티스레드로 계산한다면 1000초 + 합치는 시간 10초 해서 대략 1010초만 걸리게 된다.

이처럼 시간을 엄청나게 단축할 수 있다!!

 

참고) 이것을 병렬화(Parallize)라고 하는데, 이것이 가능한 이유는 각 스레드들끼리 하는 작업이 거의 독립적이기 때문이다. 만약에 서로 독립적이지 않고 의존적이라면(dependant), 병렬화가 어려울 것이다.(ex: 피보나치 수열 계산)

 

대기 시간이 긴 작업들

아래와 같이 웹사이트를 긁어오는 어떤 프로그램이 있다고 하자.

int main() {
  // 다운 받으려는 웹사이트와 내용을 저장하는 맵
  map<string, string> url_and_content;
  for (auto itr = url_and_content.begin(); itr != url_and_content.end();
       ++itr) {
    const string& url = itr->first;

    // download 함수는 인자로 전달받은 url 에 있는 사이트를 다운받아 리턴한다.
    itr->second = download(url);
  }
}

 

위 프로그램은 url를 인자로 보내서 download함수를 통해서 사이트를 다운받는다. 

하지만 이 프로그램은 굉장히 대기시간이 길 수 밖에 없다. 왜냐하면 CPU의 처리 속도보다 웹사이트의 속도가 훨씬 느리기 때문이다. 따라서 웹사이트에서 요청을 보내고 다운로드 하기 전까지 기다려야하는 시간이 생기게 된다. 그러면 아래 그림처럼 그냥 기다릴때는 CPU가 놀고 있게 된다.

쓰레드 1 개 만을 사용할 때

 

하지만 만일 download 함수를 호출하는 것을 여러 쓰레드에서 부르면 어떻게 될까?

쓰레드 여러개를 사용할 때

 

위 그림은 같은 코어 안에서 쓰레드들이 컨텍스트 스위칭을 통해 기다리는 시간 없이 CPU 를 최대한으로 사용하는 것을 볼 수 있다. 초록색 쓰레드에서 웹사이트 1 에 요청을 보낸 후, 이전에는 웹사이트 1 에서 데이터를 다운로드를 시작하기 까지 기다려야 했지만, 이 경우 주황색 쓰레드로 컨텍스트 스위칭 되어서, 기다리는 시간을 낭비하지 않고 비동기적으로 바로 웹사이트 2 에 요청을 보내는 것을 볼 수 있다. 위와 같이 처리하게 된다면 CPU 시간을 낭비하지 않고 효율적으로 작업을 처리할 수 있게 된다.

 

 

 

멀티 스레드를 이용하면 여러 효과를 얻을 수있고 여러 스레드를 동시에 실행할 수 있으므로 속도도 빨라진다. 그렇다면 멀티 스레드가 무조건 좋은 것일까? 

 

스레드가 번갈아가면서 실행될때는 (예를들어 코어의 수보다 스레드 수가 많은 경우) context-switching(문맥교환)이 일어난다.

 

context switching(문맥 교환)

context switching이란, 현재까지의 작업 상태나 다음 작업에 필요한 각종 데이터를 저장하고 읽어오는 작업을 가리킨다. 이를 통해 스레드가 교체된다. 위에 지렁이 그림에서 threadA 가 끊기고 thread B가 실행되고 다시 thread A가 실행될 때 context switching이 일어나는 것을 볼 수 있다. 이는 스레드 간만이 아니라 프로세스 사이에서도 일어난다.

 

저장하고 다시 불러오고.. 이런 과정이 있기 때문에 context switching 에는 분명 overhead가 존재할 것이다. 따라서 스레드가 너무 많아지면 context switching의 overhead또한 많아지게 되어서 효율이 더 나빠질 수도 있다.

 

따라서 적당히 스레드의 개수를 조절하는 것이 중요하다.

 

각종 용어

• 스레드 그룹 : 비슷한 기능을 하는 스레드들을 묶어놓을 수 있다. 이를 스레드 그룹이라고 한다. 그룹은 다른 그룹에 속할 수 있다.
• TLS(Thread Local Storage) : 우리는 위에서 스레드는 스택에 자신들만의 정보를 저장한다고 했다. 그런데 스택에 들어있는 애들은 local variable이므로 전역 변수등을 저장할 수 없다. 이럴 경우 TLS라는 저장공간을 만들어 전체에서 모두 visible한 변수들(static 혹은 global한)을 저장할 수 있다. (참고 : [🖥️ Computer Science/OS] - [OS] Thread Local Storage (TLS))

 

다음 포스트에서는 스레드들이 어떻게 동시에 실행되는지 그 원리에 대해서 알아보도록 하겠다.

 

 

 

 

 

요약

• 스레드는 프로세스 안에서 진행되는 실행의 흐름. 
• 스택만 따로 쓰고 다른 자원들은 같은 프로세스 내의 다른 스레드들과 공유하기 때문에 자원 공유가 편함
• 프로세스 내에는 최소 한개의 스레드가 존

 

Reference

https://modoocode.com/269

씹어먹는 C ++ - <15 - 1. 동시에 실행을 시킨다고? - C++ 쓰레드(thread)>

👩‍💻 ‍완전히 정복하는 프로세스 vs 스레드 개념 (tistory.com)

👩‍💻 ‍완전히 정복하는 프로세스 vs 스레드 개념

코딩의 시작, TCP School

코딩교육 티씨피스쿨

https://www.geeksforgeeks.org/thread-in-operating-system/

Thread in Operating System - GeeksforGeeks