[운영체제] 쓰레드(Thread) 란??

1. 쓰레드란?

• **쓰레드(Thread)**는 CPU를 사용하는 최소 실행 단위이며, 프로세스 내에서 실행되는 작업 흐름
• 다른 말로 Light Weight Process (LWP) 라고도 함.
• 전통적인 프로세스는 하나의 스레드만 가지고 있지만, 다중 스레드를 사용하면 동시에 여러 작업을 수행할 수 있음.
• 하나의 chrome 페이지를 프로세스라고 하면, 해당 chrome 페이지에서 음악 감상, 다운로드, 화면 렌더링 등의 작업이 쓰레드!!
• 하나의 프로세스에 속한 쓰레드들은 서로 code, data, heap 등의 메모리를 공유하지만, 각각 개별의 레지스터 집합, stack을 가짐

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2. 프로세스와 쓰레드의 차이

항목	프로세스(Process)	쓰레드(Thread)
기본 단위	프로그램 실행 단위	작업 실행 단위
메모리	독립적인 메모리 공간	공유 메모리 공간 (code, data, heap)
비용	생성/전환 비용 큼	가볍고 빠름
예	여러 크롬 창	하나의 창 안의 음악 재생, 렌더링 등

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3. 단일 쓰레드 vs 다중 쓰레드

 

• Thread를 생성할 때마다, OS에 TCB를 생성함.
• Main 함수에 Thread를 실행하면, Thread로 넘겨받은 함수가 실행되며, Main 함수도 계속 실행됨(병렬 처리 가능 -> 각각의 작업을 서로 다른 CPU에서 처리 가능)
• 위의 그림에선 Main 함수를 CPU 1이 pthread_create() 위치부터 실행하고, Run 함수를 CPU2에서 실행

 

• 단일 쓰레드: 프로세스 내 쓰레드 1개 (전통적인 구조)
• 다중 쓰레드: 프로세스 내 여러 개의 쓰레드 → 병렬 처리 가능
  - 다중 쓰레드에서는 쓰레드 간에 code, data, files(heap) 은 공유하지만, 각각 개별의 registers와 stack을 가짐.

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4. 쓰레드의 메모리 구조( 다중 쓰레드 )

• 쓰레드는 code, data, heap, open files를 공유
• 하지만 **stack, 레지스터(PC 등)**는 각자 별도로 가짐
• 쓰레드 생성 시 마다 **TCB(Thread Control Block)**가 생성되어 각각의 스레드를 관리

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5. 쓰레드의 장점

1. 빠른 응답성: 한 작업이 block되도 다른 작업은 계속 가능
2. 자원 공유: 같은 프로세스의 메모리를 공유
3. 경제성: 프로세스보다 생성 비용이 적음
4. 멀티코어 활용: 여러 CPU에 나누어 실행 가능

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6. 스레드 구현 방식

1. User-Level Thread (ULT) - 쓰레드 라이브러리
   • 사용자 공간에서 라이브러리로 구현됨 (예: pthread, Java thread)
   • OS는 존재를 모름
   • 라이브러리에서 쓰레드를 관리하여 응용프로그램에게 쓰레드 생성 등의 함수를 제공
   • 예시:
     1. POSIX Pthreads
     2.Win32 threads
     3. Java threads
2. Kernel-Level Thread (KLT) - 커널 쓰레드
   • 커널이 직접 관리
   • OS가 시스템 호출을 통해 스레드 생성 및 관리 (예: clone() in Linux)
   • 즉, OS가 쓰레드 생성 등의 쓰레드 관리를 위한 시스템 호출을 제공
   • 예시:
     1. Windows XP/2000 : 시스템호출 PsCreateSystemThread
     2. Linux : 시스템호출 clone
     3. Solaris
     4.Mac OS X

어플리케이션에서 사용자 쓰레드(쓰레드 라이브러리)가 생성되면 시스템 콜에 의해 커널 영역에서 운영체제에 Clone하여 저장함

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7. 다중 쓰레딩 모델 (Threading Models)

사용자 수준의 쓰레드 라이브러리(ULT)와 커널 쓰레드(KLT)의 매핑에 따라 3가지 쓰레딩 모델이 있음.

 

① One-to-One (1:1)

 

• 하나의 사용자 쓰레드 ↔ 하나의 커널 쓰레드
  - pthread_create를 할 때마다, 라이브러리에 thread가 생성되고, OS 내에 clone 됨.
• ✅ 장점: 병렬성 확보, block 무관
  - 각 쓰레드마다 커널 TCB가 있기 때문에, 하나의 쓰레드가 시스템 호출을 받아 대기 상태로 넘어가게 되면, 다른 쓰레드를 실행
• ❌ 단점: 커널 오버헤드 ↑, 스레드 수 제한 가능
  - 모든 쓰레드마다 OS에 커널 TCB가 있어야 하기 때문에, 쓰레드의 수가 너무 많아지면 메모리 면에서 부담됨.
• 예: Linux, Windows, FreeBSD 등

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② Many-to-One (N:1)

• 여러 사용자 스레드 ↔ 하나의 커널 스레드
  - 요즘은 거의 사용 x
• ✅ 장점: 자원 효율적
• ❌ 단점: 하나가 block되면 전부 정지, 병렬 실행 불가
  - 여러 쓰레드에 대해 하나의 TCB만 있기 때문에, 하나의 쓰레드가 시스템 호출에 의해 대기 상태로 넘어가면, 해당 TCB에 묶인 스레드들도 실행 불가
• 예: Green Thread, GNU Portable Threads

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③ Many-to-Many (M:N)

 

• M개의 사용자 스레드 ↔ N개의 커널 스레드(N <= M)
• 1:1, N:1 모델의 장점을 섞은 것!!
• 만약 N = M 이면, 1:1 모델과 같은 것이 아닐까??
  - 거의 비슷함. 하지만, 1:1 모델보다 M:N 모델이 좀 더 유연함.
• ✅ 장점: 유연성 최고, 병렬성 확보, 커널 자원 효율적 사용
• ❌ 단점: 구현 복잡
• 예: Solaris 2, NetBSD

 

※ 커널 스레드 수와 사용자 스레드 수가 같더라도, M:N 모델은 실행 시점에 가용한 커널 스레드에 동적으로 매핑된다는 점에서 1:1 모델과는 다름!

 

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8. 실전 예시: Solaris 스레드 모델

• 각 task(프로세스)는 서로 다른 쓰레드 모델 사용 가능
  • Task1: 2 user threads ↔ 1 kernel thread (N:1) + 1 user ↔ 1 kernel (1:1)
  • Task2: 1 user ↔ 1 kernel (1:1)
  • Task3: M:N 모델(M = 3, N = 2) + 1 user ↔ 1 kernel (1:1) + 1 user ↔ 1 kernel (1:1)
• 즉, 프로세스마다 쓰레드 모델을 자유롭게 설계 가능
• 위 그림과 같이, OS의 커널 쓰레드에 각각의 CPU를 매칭함.

 

심지어 한 프로세스 내에서도 중요한 쓰레드는 1:1, 나머지는 M:N으로 처리 가능 (하이브리드 구조)

 

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9. pthread_create() 함수 구조

pthread_create(&tid, &attr, run, (void *)count);

인자	설명
&tid	새로 생성된 스레드의 ID 저장
&attr	스레드 속성 (기본값 설정 가능)
run	스레드가 실행할 함수
(void *)count	함수로 전달할 파라미터 (형변환 필요)