운영체제 이론 - 멀티스레드 모델

1) 멀티스레드 모델

• 앞에서 이야기했듯이 프로세스는 커널 프로세스와 사용자 프로세스로 나뉘며 스레드에도 커널 스레드와 사용자 스레드가 있다.

 

· 커널 스레드 : 커널이 직접 생성하고 관리하는 스레드이다.
· 사용자 스레드 : 라이브러리에 의해 구현된 일반적인 스레드이다.

 

• 사용자 스레드가 커널 스레드를 사용하려면 시스템 호출로 커널 기능을 이용해야 하는데 이 때, 커널 스레드와 사용자 스레드의 대응 방식에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

 

(1) 사용자 수준 스레드 (User-Level Thread)

 

(1-1) 이론

• 운영체제가 멀티 스레드를 지원하지 않을 때, 사용하는 방법으로 초기의 시스템에서 이용되었다.

 

• 이 스레드는 유저 레벨에서 스레드를 구현하기 때문에 관련 라이브러리를 사용하여 구현하며, 라이브러리는 커널이 지원하는 스케줄링이나 동기화 같은 기능을 대신 구현해준다.

 

• 그러므로 커널 입장에서 이 스레드는 하나의 프로세스처럼 보이며, 사용자 스레드는 커널 입장에서는 일반 프로세스이지만 커널이 하는 일을 라이브러리가 대신 처리하여 여러 개의 스레드를 작동한다.

 

• 따라서, 사용자 프로세스 내에 여러 개의 스레드가 존재하지만 커널의 스레드 하나와 연결되기 때문에 “1 to N” 모델이라고 부른다.

 

• 사용자 스레드는 라이브러리가 직접 스케줄링을 하고 작업에 필요한 정보를 처리하기 때문에 문맥 교환이 필요 없다!

 

→ 프로세스 A에게 할당된 타임 슬라이스가 단순하게 “5ns”라 가정한다면 프로세스 A의 사용자 스레드 스케줄러의 정책에 의해 여러 사용자 스레드가 이 시간을 나눠서 작업을 처리하게 된다.

 

(1-2) 장점

• 운영체제에서 멀티스레드를 지원할 필요가 없다.

 

• 스케줄링 결정이나 동기화를 위해 커널을 호출하지 않기 때문에 인터럽트가 발생할 때 커널 레벨 스레드보다 오버 헤드가 적다.

 

→ 사용자 영역 스레드에서 작업을 하기 때문에 OS 스케줄러의 문맥 교환이 발생하지 않는다. (유저레벨 스레드 스케줄러를 이용함)

 

→ 즉, 커널의 관리를 받지 않고 커널 또한 사용자 스레드의 존재를 모르기 때문에 모드 간의 전환이 없고 성능 이득이 발생한다.

 

(1-3) 단점

• 시스템 전반에 걸친 스케줄링 우선순위를 지원하지 않는다.

 

→ 어떤 스레드가 먼저 동작할 지 알 수 없다.

 

• 프로세스에 속한 사용자 스레드 중 I/O 작업 등에 의해 하나라도 Block이 걸린다면 전체 사용자 스레드가 Block 된다.

 

→ 여러 개의 사용자 스레드가 하나의 커널 스레드와 연결되기 때문에 커널 스레드가 입출력 작업을 위해 대기 상태에 들어가게 되면 모든 사용자 스레드가 같이 대기하게 되는 것이다.

 

→ 커널 입장에서는 하나의 단일 스레드 프로세스이므로 일부 스레드만 대기 상태로 보낼 수 없기 때문이다.

 

• CPU 코어 사용율이 매우 떨어진다.

 

→ 한 프로세스의 타임 슬라이스를 여러 사용자 스레드가 공유하기 때문에 여러 개의 CPU를 동시에 사용할 수 없다.

 

→ 마찬가지로 커널 입장에서 사용자 스레드는 하나의 단일 스레드 프로세스로 인식되므로 작업을 여러 코어에 나눌 수 없기 때문이다.

 

→ 현대의 CPU는 과거와 다르게 싱글 코어가 아닌 멀티 코어이므로 멀티 스레드를 지원하는 커널에서는 스레드를 여러 CPU 코어에 나누어 작업하여 CPU를 효율적으로 사용할 수 있으므로 현대의 운영체제에서는 User-level Thread 방식을 사용하지 않는다.

 

• 보안에 취약하다.

 

→ 커널 레벨에서는 공유 변수를 보호하는 장치가 있으나 이러한 서비스를 커널이 아닌 라이브러리에서 구현해야 한다.

 

(2) 커널 수준 스레드 (Kernel-level thread)

 

(2-1) 이론

• 커널이 멀티 스레드를 지원하는 방식으로 하나의 사용자 스레드가 하나의 커널 스레드와 연결되기 때문에 “1 to 1” 모델이라고 부른다.

 

→ 프로세스가 생성이 되면 커널은 제어하기 위한 커널 수준의 스레드를 1개 만들기 때문에 프로세스는 적어도 하나 이상의 커널 스레드를 가지고 있다.

 

• 커널 스레드는 독립적으로 스케줄링이 되므로 특정 스레드가 대기 상태에 들어가도 다른 스레드는 작업을 계속할 수 있고, 또한 커널이 제공하는 보호 기능과 같은 모든 기능을 사용할 수도 있다.

 

(2-2) 장점

• 커널이 각 스레드를 개별적으로 관리할 수 있다.

 

• 커널이 직접 스레드를 제공하기 때문에 안정성과 다양한 기능이 제공된다.

 

• 하나의 스레드가 대기 상태에 있어도 다른 스레드는 작업을 계속할 수 있다.

 

• 커널 스레드와 1:1로 연결되기 때문에 여러 CPU 코어에 한꺼번에 Dispatch 할 수 있어 멀티프로세서 환경에서 매우 빠르게 동작한다.

 

(2-3) 단점

• 스케줄링과 동기화를 위해 매번 커널을 호출하기 때문에 무겁고 오래 걸린다.

 

→ 즉, 사용자 모드에서 커널 모드로의 전환이 빈번하게 이루어져 성능 저하가 발생한다. (문맥 교환으로 인한 오버헤드 부하 多)

 

(3) 멀티레벨 스레드 (Multi-level thread) or 하이브리드 스레드 (Hybrid thread)

 

(3-1) 이론

• 사용자 스레드와 커널 스레드를 혼합한 방식으로 “M to N” 모델이라고 부른다.

 

→ 멀티레벨 스레드에서는 커널 스레드의 개수가 사용자 스레드 개수보다 같거나 적어야 한다.

 

• 멀티레벨 스레드는 사용자 스레드와 커널 스레드의 방식을 혼용하기 때문에 사용자 스레드와 커널 스레드의 장단점을 모두 가지고 있는데 하나의 커널 스레드가 대기 상태에 들어가게 되면 다른 커널 스레드가 대신 작업을 하여 사용자 스레드보다 유연하게 작업을 처리할 수 있다.

 

• 다만, 커널 스레드를 같이 사용하기 때문에 여전히 문맥 교환 시 오버헤드가 있어 사용자 스레드만큼 빠르지 않다.

 

• 따라서, 빠르게 움직여야 하는 스레드는 사용자 스레드로 작동하고 안정적으로 움직여야 하는 스레드는 커널 스레드로 작동한다.

 

[Note] TCB (Thread Control Block)

• 기존의 운영체제에서 컨텍스트 스위칭을 설명할 때, PCB를 예시로 들어 설명하나 이것은 싱글 스레드, 멀티 프로세스 환경으로 전제하고 설명하는 것이다.

 

• 멀티 스레드 모델에서는 CPU에 세팅해야 하는 프로그램 카운터를 비롯한 각종 레지스터들을 스레드별로 저장해야 하는데 이 때, 사용하는 것이 바로 TCB 이다.

 

• Multi thread, Multi Process 환경에서 프로그램 카운터를 비롯한 각종 레지스터들을 TCB (Thread Control Block)에 저장을 하며 이러한 TCB는 PCB에 저장되어 진다.