[운영체제] 스레드 (스레드 정의, 스레드 관련 용어, 멀티스레드 구조와 장단점)

💡 스레드의 정의

 

프로세스의 작업 과정을 자세히 살펴보겠습니다. 운영체제는 코드와 데이터를 메모리에 가져오고, PCB 를 생성하고, 작업에 필요한 메모리 영역을 확보한 후, 준비된 프로세스를 준비 큐에 삽입합니다. 프로세스가 생성되면 CPU 스케줄러는 프로세스가 해야 할 일을 CPU 에 전달하고 실제 작업은 CPU 가 수행합니다. 이때 CPU 스케줄러가 CPU 에 전달하는 일 하나가 스레드입니다. 그러므로 CPU 가 처리하는 작업의 단위는 프로세스로부터 전달받은 스레드입니다. 운영체제 입장에서의 작업 단위는 프로세스이고 CPU 입장에서의 작업 단위는 스레드인 것입니다. 프로세스 입장에서 스레드를 다음과 같이 정의할 수 있습니다.

 

스레드란 프로세스의 코드에 정의된 절차에 따라 CPU 에 작업 요청을 하는 실행 단위입니다.

 

 

💡 스레드 관련 용어

 

프로세스와 스레드의 차이점을 중심으로 관련 용어를 정리해보겠습니다.

 

• 멀티스레드: 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드로 분할함으로써 작업의 부담을 줄이는 프로세스 운영 기법

• 멀티태스킹: 운영체제가 CPU 에 작업을 줄 때 시간을 잘게 나누어 배분하는 기법

• 멀티프로세싱: CPU 를 여러 개 사용하여 여러 개의 스레드를 동시에 처리하는 작업 환경

• CPU 멀티스레드: 한 번에 하나씩 처리해야 하는 스레드를 파이프라인 기법을 이용하여 동시에 여러 스레드를 처리하도록 만든 병렬 처리 기법

 

 

💡 멀티스레드의 구조

 

C 언어와 같은 초기의 프로그래밍 언어로 여러 개의 작업을 동시에 처리하기 위해 fork() 시스템 호출을 사용하여 부모와 똑같은 프로세스를 생성하거나, exec() 시스템 호출로 프로세스를 전환하는 방법을 이용했습니다. 그러나 fork() 시스템 호출을 낭비적인 요소가 많습니다. fork() 시스템 호출로 프로세스를 복사하면 코드 영역과 데이터 영역의 일부가 메모리에 중복되어 존재하게 됩니다.

 

멀티태스킹의 낭비 요소

 

스레드는 이러한 멀티태스킹의 낭비 요소를 제거하기 위해 사용됩니다. 비슷한 일을 하는 2개의 프로세스를 만드는 대신 코드, 데이터 등을 공유하면서 여러 개의 일을 하나의 프로세스 내에서 하는 것입니다.

 

멀티태스킹과 멀티스레드의 구조

 

위 그림은 멀티태스킹과 멀티스레드의 차이를 보여줍니다. 왼쪽 그림처럼 fork() 시스템 호출로 여러 개의 프로세스를 만들면 필요 없는 정적 영역이 여러 개가 됩니다. 반면, 하나의 프로세스 내에 여러 개의 스레드를 생성하는 멀티스레드는 코드, 파일등의 자원을 공유함으로써 자원의 낭비를 막고 효율성을 향상합니다.

 

 

💡 멀티스레드의 장점

 

프로세스 내 공유가 가능한 부분을 제외하고 실행과 관련된 부분을 스레드로 나누어 관리하면 자원의 중복 사용을 피함으로써 낭비를 막을 수 있습니다. 또한 하나의 프로세스에서 여러 스레드를 사용하면 작업의 효율을 높일 수 있습니다.

 

멀티스레드의 장점은 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

 

• 응답성 향상: 한 스레드가 입출력으로 인해 작업이 진행되지 않더라도 다른 스레드가 작업을 계속하여 사용자의 작업 요구에 빨리 응답할 수 있습니다.

• 자원 공유: 한 프로세스 내에서 독립적인 스레드를 생성하면 프로세스가 가진 자원을 모든 스레드가 공유하게 되어 작업을 원활하게 진행할 수 있습니다.

• 효율성 향상: 여러 개의 프로세스를 생성하는 것과 달리 멀티스레드는 불필요한 자원의 중복을 막음으로써 시스템의 효율이 향상됩니다.

• 다중 CPU 지원: 2개 이상의 CPU 를 가진 컴퓨터에서 멀티스레드를 사용하면 다중 CPU 가 멀티스레드를 동시에 처리하여 CPU 사용량이 증가하고 프로세스 처리 시간이 단축됩니다.

 

 

💡 멀티스레드의 단점

 

멀티스레드는 위와 같은 장점뿐 아니라 단점도 있습니다.

 

 

위 그림은 마이크로소프트 인터넷 익스플로러와 구글 크롬의 화면입니다. 두 브라우저는 멀티탭 기능을 이용하여 여러 개의 화면을 띄울 수 있는데, 인터넷 익스플로러는 하나의 프로세스에 멀티스레드를 사용하고 크롬은 여러 개의 프로세스를 사용합니다.

 

여러 개의 프로세스를 사용하는 것은 낭비 요소가 있어 멀티스레드를 사용한다고 했지만, 이는 단점으로 작용하기도 합니다. 멀티스레드의 경우 모든 스레드가 자원을 공유하기 때문에 한 스레드에 문제가 생기면 전체 프로세스에 영향을 미치게 됩니다.

 

인터넷 익스플로러에서 여러 개의 화면을 동시에 띄웠는데 그 중 하나에 문제가 생겼다고 가정해보겠습니다. 문제가 있는 화면을 강제로 종료하면 그 화면만 사라지지 않고 인터넷 익스플로러 전체가 종료됩니다. 인터넷 익스플로러 프로세스는 하나이고 그 안에 여러 개의 스레드를 사용하므로 스레드만 종료되는 것이 아니라 프로세스 전체가 종료되기 때문입니다.

 

한편 크롬은 각 화면이 독립적인 프로세스이므로 그중 하나에 문제가 생겨서 종료해도 다른 화면에 미치는 영향이 적습니다. 크롬은 멀티스레드의 사용으로 인해 다른 스레드가 영향을 받는 것을 최소화하기 위해 낭비 요소가 있더라도 멀티스레드 대신 멀티태스킹을 이용합니다.

 

 

💡 참고

 

쉽게 배우는 운영체제 - 조성호