스레드란, 스레드 특징, 싱글 스레드, 멀티 스레드

스레드란? 

명령어가 CPU를 통해서 수행되는 객체의 단위이다. 

 

하나의 프로세스 내에는 1개 이상의 스레드가 반드시 존재하고, 이러한 스레드는 같은 프로세스에 있는 자원과 상태를 공유한다. 

 

하나의 스레드가 수정한 메모리는 같은 메모리를 참조하는 스레드에 영향을 미친다.

예를 들어 하나의 스레드에서 오픈한 파일을 다른 스레드가 사용할 수 있다. 프로세스가 종료되면 그 프로세스에 속해있던 스레드도 함께 종료된다. 

 

✔️ 스레드의 필요성

하나의 프로세스 안에서 여러 개의 루틴을 동시에 수행해서 수행 능력을 향상하려고 할 때 스레드를 사용하게 되는데, 독립적으로 수행하여 처리하려고 할 때 사용하게 됩니다. 즉 여러 개의 작업 단위로 구성된 프로그램에서 요청을 동시에 처리하기 위해서!

 

✔️ 스레드의 특징

- 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위이다. 하나의 스레드는 시작해서 종료할 때까지 한번에 하나씩 명령들을 수행한다. 

- 각 스레드마다 call stack이 존재하고, 나머지 code, data, heap 영역은 스레드끼리 공유한다. / 반면 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없다. 

- 스레드는 다른 스레드와 독립적으로 동작한다. 독립적으로 동작하기 때문에 두 개 이상의 스레드가 동작되는 경우, 두 개 이상의 스레드의 실행 및 종료 순서는 예측할 수 없다. 

 

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동시에 돌릴 수 있는 스레드의 수는 컴퓨터의 코어 개수로 제한된다. 

운영체제는 각 스레드를 시간에 따라 분할하여 여러 스레드가 일정 시간마다 돌아가면서 실행되도록 한다. => 시분할 

 

싱글스레드 / 동시성, 병행성 => 여러 개의 스레드가 시분할 방식으로 동시에 수행되는 것처럼 착각을 불러일으킴.

멀티스레드 / 병렬성 => 멀티 코어 환경에서 여러개의 스레드가 실제도 동시에 수행됨.

 

✔️ 싱글 스레드 (single-thread)

프로세스가 단일 스레드로 동작하는 방식으로 일련의 처리를 단일 스레드만으로 직렬 처리하는 프로그래밍 방법이다. 

하나의 레지스터, 스택으로 표현한다. => 자바스크립트가 가장 대표적인 싱글 스레드 언어이다. 

 

싱글 스레드 장점

- 자원 접근에 대한 동기화를 신경쓰지 않아도 된다. (멀티 스레드의 경우 각 스레드가 원하는 결과를 얻게 하려면 공용 자원에 대한 접근을 제어해야 함.)

- 자원 접근에 대한 동기화를 신경쓰지 않아도 되므로 문맥 교환(context switch)** 작업도 안해도 된다. 

(** CPU가 현재 작업 중인 프로세스에서 다른 프로세스로 넘어갈 때 지금까지의 프로세스의 상태를 저장하고, 새 프로세스의 저장된 상태를 다시 적재하는 작업을 Context Switch(문맥 교환)이라 하는데, 비용이 들어간다. )

- 프로그래밍 난이도가 쉽고, CPU 메모리를 적게 사용한다. 

 

싱글 스레드 단점

- 여러 개의 CPU를 활용하지 못한다.

(멀티 코어 머신에서 CPU 사용을 최적화할 수 없다. 최적화를 위해서 Cluster 모듈을 이용해서 여러 프로세스를 사용할 수 있지만 추가적으로 Redis와 같은 부가 인프라가 필요하다. )

- 연산량이 많은 작업을 하는 경우, 그 작업이 완료되어야 다른 작업을 할 수 있다. 

- 에러 처리를 못하는 경어 멈춘다. 

 

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✔️ 멀티 스레드 (multi-thread)

하나의 프로세스 내에서 둘 이상의 스레드가 동시에 작업을 수행하는 것을 의미한다. 

여러 개의 CPU를 사용해서 여러 프로세스를 동시에 수행하는 것을 의미한다.  

 

멀티 스레드 장점

- 작업을 분리해서 수행하므로 실시간으로 사용자에게 응답할 수 있다. 

- 한 프로세스를 여러 프로세서에서 수행할 수 있으므로 훨씬 효율적이다. 

 

멀티 스레드 단점

- 디버깅이 까다롭다. 

- 단일 프로세스 시스템의 경우 효과를 기대하기 어려우며 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없다.

(프로세스 밖에서 스레드 각각을 제어할 수 없다. )

- 자원 공유의 문제가 발생하여 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받게 된다. 

- 문맥 교환 작업을 요구한다. 

(CPU가 현재 작업 중인 프로세스에서 다른 프로세스로 넘어갈 때 지금까지의 프로세스의 상태를 저장하고, 새 프로세스의 저장된 상태를 다시 적재하는 작업을 Context Switch(문맥 교환)이라 한다. )

 

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* 데드락 (deadlock) / 교착 상태

두 개 이상의 프로세스나 스레드가 서로 자원을 얻지 못해서 다음 처리를 하지 못하는 상태로, 무한히 다음 자원을 기다리게 되는 상태를 말한다. 

시스템적으로 한정된 자원을 여러 곳에서 사용하려고 할 때 발생한다.

 

* 뮤텍스 (mutex) & 세마포어 (semaphore)

공유자원을 안전하게 관리하기 위해서는 상호배제(Mutual exclusion)를 달성하는 기법이 필요하다.

뮤텍스와 세마포어는 이를 위해 고안된 기법으로 서로 다른 방식으로 상호배제를 달성한다.

 

 

- 뮤텍스 (mutex) 

 

뮤텍스는 한 쓰레드, 프로세스에 의해 소유될 수 있는 Key🔑를 기반으로 한 상호배제기법으로,

Key 에 해당하는 어떤 오브젝트가 있으며 이 오브젝트를 소유한 (쓰레드,프로세스) 만이 공유자원에 접근할 수 있다.

 

(화장실이 하나 뿐이 없는 식당과 비슷하다. 화장실을 가기 위해서는 카운터에서 열쇠를 받아 가야 한다.)

 

-세마포어 (semaphore)

 

세마포어는 현재 공유자원에 접근할 수 있는 쓰레드, 프로세스의 수를 나타내는 값을 두어 상호배제를 달성하는 기법이다. 

 

(레스토랑의 화장실에는 여러 개의 칸이 있다. 그리고 화장실 입구에는 현재 화장실의 빈 칸 개수를 보여주는 전광판이 있다.)

 

 

 

참고)

 

https://worthpreading.tistory.com/90

https://gyoogle.dev/blog/computer-science/operating-system/DeadLock.html

 

 

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