스레드(Thread)

스레드 : 동기/아이디어

대규모 프로그램은 여러 개의 서브프로그램으로 구성되어 있으며, 이를 하나의 실행 단위로 구성하는 경우를 프로세스라고 한다.
예를 들어, a.out은 단일 프로세스 단위로 실행되며, 실행, 준비, 블록 상태 전이를 통해 운영된다.
서브프로그램 중 하나가 I/O를 요구할 경우 전체 프로세스가 블록된다.

서브프로그램을 실행 단위로 만들 경우

하나의 서브프로그램에서 I/O를 요구할 경우 해당 서브프로그램만을 블록 시킨다.
이를 통해 프로세스 내의 다른 서브프로그램은 독립적인 실행 단위로 계속 실행할 수 있다.

 

스레드의 정의

• 스레드는 경량화된 프로세스(Lightweight Process) 로서, 프로세스 내에서 실행되는 독립적인 실행 경로이며, 자신의 실행 상태를 가지고 다른 스레드와 프로세스의 자원을 공유한다..
• 스레드 제어 블록(TCB):
  • 각 스레드는 하나의 TCB를 가지고 있다.
• 독립적 CPU 사용:
  • 스레드는 CPU를 사용할 때 독립적으로 레지스터들을 사용한다.
  • 문맥 교환을 위해 레지스터 저장 공간이 필요하다.
• 자원 공유:
  • 같은 프로세스에 의해 생성된 스레드들은 텍스트와 데이터 부분을 공유한다.
    • 예를 들어, 전역 변수나 open()한 파일 디스크립터 등이 이에 해당한다.

 

스레드의 장점

• 실행 단위가 스레드로 세분화되어 병행 수행이 증가한다.
• 문맥 교환 시간이 줄어든다.
• 스레드 생성 시간이 프로세스 생성 시간에 비해 짧고 효율적이다.

 

프로세스와 스레드의 비교

• 기존의 프로세스(Traditional or Heavyweight Process): 한 개의 스레드로 구성된 프로세스, 실행 단위가 한 개로 구성된 프로세스.
• 프로세스 구성: Text, Data 그리고 Stack으로 구성됨, PCB를 가짐.
• 스레드(경량화된 프로세스): 하나의 프로세스 내에 여러 개의 스레드로 구성되어 있으며, Text와 Data는 프로세스 내의 스레드들 간에 공유됩니다. 각 스레드는 별도의 스택과 TCB를 가진다.

 

멀티스레드의 장점

• 응답성 향상: 다중 스레드를 사용하면 하나의 스레드가 대기 상태일 때 다른 스레드가 작업을 계속 수행할 수 있어 전체 응답성이 향상된다.
• 자원 공유: 같은 프로세스 내의 스레드들은 메모리와 자원을 공유하므로 자원의 효율적 사용이 가능하다.
• 효율성 향상: 스레드 간의 문맥 교환은 프로세스 간의 문맥 교환보다 빠르고 자원을 덜 사용하므로 시스템의 효율성이 증가한다.
• 다중 CPU 지원: 멀티스레드 프로그램은 다중 CPU 환경에서 각 스레드가 별도의 프로세서에서 실행될 수 있어 성능이 향상된다.

 

단일 스레드 지원 운영체제

• 예시: MS-DOS
• 특징: 하나의 프로세스에서 하나의 스레드만 실행 가능. 스레드 개념이 불확실.

다중 스레드 지원 운영체제

• 예시: Windows NT, Solaris
• 특징: 하나의 프로세스에서 여러 스레드 실행 지원. 프로세스 내부의 스레드들이 자원을 공유하여 자원의 생성과 관리 중복성을 최소화하고, 각 스레드는 독립적으로 수행 가능.

 

POSIX 스레드 라이브러리 및 관련 개념

1. POSIX 스레드 라이브러리 (libpthread)

POSIX 스레드 라이브러리, libpthread,는 POSIX 표준에 근거하여 다양한 운영 체제에서 멀티스레딩을 지원하기 위해 사용된다. 이 라이브러리는 스레드의 생성, 종료 및 동기화 기능을 제공하여 개발자가 멀티스레드 응용 프로그램을 쉽게 구현할 수 있도록 돕는다.

2. 주요 함수 설명

• pthread_create(): 새로운 스레드를 생성하는 데 사용되는 함수다. 이 함수는 스레드 ID, 스레드 속성, 실행할 함수의 포인터, 그리고 그 함수의 인자를 매개변수로 받는다.
• pthread_join(): 특정 스레드가 종료될 때까지 대기한다. 이 함수는 스레드가 종료되는 것을 확인하고 그 스레드의 리턴 값을 회수하는 데 사용된다.
• pthread_exit(): 호출한 스레드를 종료시킵니다. 이 함수는 스레드의 종료 상태를 인자로 받아 다른 스레드에서 pthread_join()을 통해 이 값을 얻을 수 있도록 한다.

3. -lpthread 옵션의 의미

-lpthread 옵션은 gcc 컴파일러에 POSIX 스레드 라이브러리를 링크하도록 지시한다. 이 옵션은 컴파일러에게 멀티스레딩 프로그램의 컴파일 시 필요한 스레드 관련 기능을 libpthread에서 찾도록 한다.

• gcc -lpthread -o thread thread.c 명령에서 -lpthread는 링커가 스레드 관련 기능을 필요로 하는 코드를 컴파일할 때 필요한 스레드 라이브러리(libpthread)를 실행 파일에 연결하도록 한다.

4. 라이브러리란?

라이브러리는 재사용 가능한 코드의 집합으로, 함수나 데이터를 모듈화하여 필요할 때 링크하여 사용할 수 있다.

라이브러리는 정적 라이브러리와 동적 라이브러리로 구분되며, libpthread와 같은 스레드 라이브러리는 시스템의 멀티스레딩 기능을 제공하는 동적 라이브러리의 예다.

5. 링커의 역할

링커는 컴파일된 여러 코드 파일들을 하나의 실행 파일로 합치는 작업을 수행한다.

또한, 필요한 라이브러리를 프로그램에 연결하는 역할도 한다.

-lpthread와 같은 옵션을 사용할 때, 링커는 해당 라이브러리(libpthread)를 찾아 프로그램과 링크한다.

6. 분리 컴파일

분리 컴파일은 큰 프로그램을 여러 소스 파일로 나누어 각각 독립적으로 컴파일한 후, 링킹 과정을 통해 최종 실행 파일을 생성하는 프로세스다. 이 방법은 코드 관리를 용이하게 하며, 수정이 필요한 부분만 재컴파일하여 시간을 절약할 수 있다.