Multi Thread

멀티 스레드 스케줄링

• 하나의 프로세스에 2가지 이상의 작업을 처리할 수 있는 것

• 동시성 : 멀티 작업을 위해 하나의 코어에서 멀티 스레드가 번갈아가며 실행하는 성질

• 병렬성 : 멀티 작업을 위해 멀티 코어에서 개별 스레드를 동시에 실행하는 성질

CPU 스케쥴링

Ready Queue나 메인메모리에 여러 프로그램들이 대기 상태에 있을 때, 현재 실행중인 프로세스가 종료되면 다음 프로세스로 어떤 것을 실행시킬지 결정하는 작업을 CPU 스케쥴링이라고 합니다.

• First-Come, First-Served (= FIFO)먼저 온 프로세스를 먼저 처리하는 스케쥴링입니다.
• Shortest-Job-First (SJF)실행시간이 가장 짧은 것부터 처리하는 스케쥴링입니다.
• Priority우선순위가 높은 것부터 처리하는 스케쥴링입니다.
• Round-Robi (RR)time quantum(= time slice)이라는 일정 시간을 잡고, 이 시간동안 작업을 실행한 뒤, 다음 작업물로 전환하는 스케쥴링입니다. 이 방식에서는 최적의 time quantum 값을 설정하는 것이 중요합니다.
• Multilevel Queue프로세스가 하는 일에 따라 그룹으로 나누고, 이에 따라 여러 개의 큐를 만들어서 각각 큐에 다양한 알고리즘을 적용하는 방식의 스케쥴링입니다.

스레드 스케줄링 방식

• 우선 순위 방식 (Priority)
  • 우선 순위가 높은 스레드가 실행 상태를 더 많이 가지록 스케줄링
  • 우선 순위는 시간 제한, 메모리 요구량 등 외부에서 이미 설정된 기준이다.
• 순환 할당 방식 (Round-Robin)
  • 시간 할당량을 정해서 하나의 스레드를 정해진 시간만큼 실행하고 다시 다른 스레드를 실행하는 방식

Multi Thread Context Switching

Process란?

• PC와 Register Set, Process ID, State, 메모리 등의 정보를 가진다.

• 프로세스는 적어도 하나의 Thread를 가진다.

Thread란?

• CPU 스케쥴링의 기본 단위.

• Program Counter, Register들과 Stack으로 구성

• Process 내부에서 여러 Thread 생성 가능하며, 코드와 메모리를 공유한다.

PCB(Process Control Block)

프로세스를 관리하는 자료구조를 PCB라고 한다. PCB에는 다음과 같은 정보들이 담겨 있다.

• PID

• 프로세스 상태

• 프로그램 카운터

• 스케쥴링 우선순위

• 권한

• 부모와 자식 프로세스

• d프로세스가 존재하는 메모리의 위치를 가리키는 포인터

• 프로세스에 할당된 자원들을 가리키는 포인터

PCB

• Process ID와 상태, 우선순위, 메모리 정보 등을 저장한다. 멀티스레드가 아닌 멀티프로세스 환경에서는 PCB가 PC와 Register Set 정보도 포함한다. 여기서는 멀티스레드 환경이라 가정한다.

TCB

• Thread별로 존재하는 자료구조이며, PC와 Register Set(CPU 정보), 그리고 PCB를 가리키는 포인터를 가진다.

TCB는 PCB를 가리키는 포인터를 가진다. 그리고 TCB는 PCB보다 적은 데이터를 가지는 자료구조이다. 해당 Thread에 대한 정보만 저장하면 되기 때문이다.

TCB가 PCB보다 데이터가 적다

보통 TCB는 커널 레벨에서 Context Switching의 기본 단위가 되며, 같은 프로세스에서의 스위칭에 대해서는 TCB 정보만 저장하면 된다.

하지만 다른 프로세스 간의 스위칭을 할 때에는 PCB / TCB 정보를 모두 저장해야 한다.

독립적인 code, heap, data, stack 영역을 가지는 프로세스와 다르게 스레드는 stack 영역만 별도로 가지기 때문에 context switching 시 그만큼 cost가 적게 든다고 할 수 있다.

스레드를 무제한으로 만들수 없다면, 프로세스가 많아질 때 성능 향상을 할 수 있는 방법이 무엇일까?

• 병렬처리를 통하여 하나의 프로그램을 처리해 속도를 향상 시킨다.
• 여러개의 CPU를 두고 각 CPU마다 병렬처리로 스케줄링 하면 처리속도가 올라간다.
  • 그러나 OS구조상 CPU가 2개 이상일 때 사용자 영역의 프로세스들이 커널 스택의 사용을 위해 기다리는 문제가 발생한다.
  • 이를 해결하기 위해 커널 스레드를 구상하여, 커널 스레드가 각자의 스택을 가짐으로써 처리 속도를 향상시킬 수 있다.

세마포어 (Semaphore)

현재 공유자원에 접근할 수 있는 쓰레드, 프로세스의 수를 나타내는 값을 두어 상호배제를 달성하는 기법

비유 === 화장실에 남는 자리가 표시되는 전광판이 있어서 자리가 있을 때만 들어가는 것.

뮤텍스 (Mutex)

한 쓰레드, 프로세스에 의해 소유될 수 있는 Key🔑를 기반으로 한 상호배제기법.

공유자원을 사용하려면 특정 객체(key)를 가진 프로세스/쓰레드만 사용할 수 있다.

비유) 화장실 열쇠를 가진 사람만 들어갈 수 있다.

폰 노이만 구조와 하버드 구조

• 폰 노이만 구조는 내장 메모리의 순차처리 방식으로, 프로그램과 데이터를 하나의 메모리에 저장하여 데이터는 메모리에 읽고 쓸 수 있습니다. 즉, 하나의 버스를 가지고 있으므로, 명령과 데이터가 같은 신호 버스와 메모리를 사용하여 동시 접근이 불가능합니다.폰 노이만 구조는 나열된 명령을 순차적으로 수행하면서 메모리의 값에 접근하는데 이 과정에서 병목현상이 나타나게 됩니다. 이러한 병목현상을 개선한 구조가 하버드 구조입니다.
• 하버드 구조는 명령어와 데이터가 서로 다른 메모리 영역을 차지하며, 메모리 영역마다 주소버스, 데이터 버스, 제어 버스가 따로 존재합니다. 또한 명령어와 데이터를 동시에 접근할 수 있다고 합니다.