쓰레드(thread)에 대해 알아보자

• 30/4/2020
• 읽는 시간 4분

Thread

Parallel Programming

병렬 프로그래밍

• 공동의 목적을 달성하기 위해, 다수의 실행 주체가 동시에 작업을 수행하는 방식
  • 실행 주체: Process or Thread
  • 사실 컴퓨터 시스템에서 프로그램을 실행하는 주체는 CPU (or Core)!!
  • 프로세스나 쓰레드는 여러 프로그램이 CPU를 공유해서 사용하기 위한 추상적 단위
• 병렬 프로그래밍의 필요성
  • 최근 컴퓨터 시스템은 대부분 다수의 CPU 를 탑재하고 있으며,
  • 여러 CPU를 최대한 활용하여 성능을 높이기 위해서는 병렬 프로그래밍이 필수

소켓 프로그래밍에서는?

• 일반적으로 서버는 여러 클라이언트에 대해 동시에 서비스를 제공함
  • 예) 포털에 여러 사람이 동시에 접근하여 각자 서로 다른 서비스를 이용함
• 반복 서버
  • 하나의 프로세스가 동작하며 모든 클라이언트의 요청을 순서대로 처리
  • 클라이언트는 연결 수립을 위해 이전 클라이언트의 요청이 모두 처리될 때까지 대기하여야 함
• 동시 동작 서버 (Parallel or Concurrently running or Multi-user Server)
  • 여러 요청을 동시에 처리해 서비스할 수 있는 서버
  • 서버를 병렬로 동작하도록 구성
  • 일반적인 서버 역할 분담
    • Door-keeper process: 문지기 역할. 접속을 대기하다, 요청이 오면 연결을 수립함. 그리고 수립된 각각의 연결에 대해 서비스 프로세스를 할당함. 이를 반복함.
    • Service thread: 각 연결에 대해 1:1로 실제 서비스를 제공하는 쓰레드

반복 서버의 예

• 지난 소켓에서의 서버-클라이언트 예제 동작 방식
  • Server: listen()→ accept() → send() → recv() → close()
  • Client: connect() → recv() → send() → close()
• 서버 프로세스 수정: 반복 처리 서버
  • 하나의 클라이언트 처리가 종료된 후, 다시 accept()로 돌아와서 대기
  • 위 동작을 3번 반복하여, 3개의 클라이언트 요청을 처리하게 함
• 만약 클라이언트가 send()를 하지 않는다면?
  • 서버 프로세스는 recv() 에서 무한 대기하며, 해당 클라이언트로부터 패킷이 전송되길 기다릴 것
• 그때 만약 다른 클라이언트가 동시에 접속을 요청한다면?
  • 서버가 accept()를 대기하고 있기 않기 때문에, 접속 처리를 할 수 없음

Process-based Parallel Socket Programming

• 프로세스 기반 동시 동작 서버
  • Door-keeper process
    • 기존 서버 코드와 같이 서버 소켓을 열고 bind(), listen() 수행
    • 새로운 연결이 수립되면, child process를 만들어, 아래 service 동작을 수행하게 함
    • 서버는 fork() 이후, 즉각 다시 accept()에서 대기. 이를 3회 반복함
    • 종료 전, 생성된 child 개수만큼 wait()를 수행하여 모든 종료 상태값을 출력 후, 종료
• Service process
  • 기존과 같이 send(), recv() 수행하고, 소켓을 닫고, 종료

Thread

• 두 가지 종류의 실행 주체(execution unit or entity)

  • Process: 독립적인 메모리 공간을 가진 수행 주체
    • 각각 독립적인 메모리 공간을 생성해주고, 관리해주어야 하기 때문에
    • 생성/제거에 시간이 오래 걸리고, 시스템 자원을 많이 사용함
  • Thread: 프로세스의 단점을 보완하기 위해 새로이 정의된 실행 주체

• Thread: The execution unit in a process

  • Thread = CPU Register set + Independent Stack
    • 하나의 수행 흐름이 다른 수행 흐름과 분리되기 위해 필수적인 요소들만 모아 Thread로 정의
  • 하나의 프로세스 내에 여러 쓰레드가 함께 동작할 수 있음
    • 쓰레드들은 프로세스의 자원을 공유해서 사용: code, data, heap 영역, File descriptor 등
  • 장점
    • 프로세스보다 가볍다 (a.k.a. LWP: light-weight process)
      • 여러 쓰레드가 동시에 동작할 때, 여러 프로세스의 경우보다 효율적임 (성능 높음)
    • IPC 가 불필요함: 하나의 프로세스 내에서 메모리 공간을 공유하기 때문
  • 단점: 데이터 공유에 따른 동기화 문제, 오류 전파 (error propagation) 등

• Single-threaded Process vs. Multi-threaded Process

  • STP: 전통적인 프로세스의 구조와 동일함
    • 내부에서 명시적으로 쓰레드 관련 서비스를 사용하지 않더라도,
    • 코드가 수행되는 하나의 흐름을 쓰레드라는 개념으로 구체화하였음
    • 프로세스 생성이 완료되면, 기본 쓰레드가 코드를 순차적으로 수행하기 시작함
  • MTP: 쓰레드 개념이 등장하면서 가능해진 구조
    • 여러 쓰레드가 하나의 프로세스 내에서 프로세스의 자원을 공유하며 동시에 수행됨
  • “프로세스” 는 더 이상 실행 주체 라기보다, 실행 주체인 쓰레드를 담는 그릇과 같은 역할

Pthread 서비스

• Pthread (POSIX Thread)
  • POSIX 는 운영체제 API 표준으로, 여러 OS에서 지원하고 있음
  • pthread 라이브러리: POSIX 에서 쓰레드를 관리하기 위한 여러가지 API를 구현한 것
    • 쓰레드 관련 시스템 콜들을 대신 호출하고, 관련 자료 구조를 관리함
  • 가장 일반적으로 널리 이용되는 쓰레드 라이브러리
  • 생성, 종료, 완료 대기, 동기화 관리 (lock) 등의 기능을 제공
  • gcc 컴파일 시, -l pthread 옵션을 사용해 명시적으로 라이브러리 지정을 해주어야 함

쓰레드 생성: pthread_create()

• thread: 생성된 쓰레드를 가리키는 구조체. 쓰레드를 가리키기 위한 ID로 사용
  • TID: Thread ID. 숫자가 아니라 구조체로 표현됨
  • pthread_self()를 통해 확인 가능. pthread_equal()을 통해 비교 가능
• attr: struct pthread_attr_t 로 정의된 쓰레드의 속성들. NULL 인 경우, 기본 속성
• start_routine: 쓰레드로 수행할 코드의 함수 포인터
  • void * start_thread (void *arg);
• arg: start_routine 에 전달할 인자
• Return value
  • On success: 0 , On error: error number (not zero)

쓰레드의 종료

• 쓰레드를 종료하는 네 가지 방법
  • 쓰레드 생성 시 지정된 start_routine 에서 return 하는 경우
  • pthread_exit() : 자기 자신을 종료
    • 상태 종료값을 retval 로 전달. retval 은 동적으로 할당하여 사용
  • pthread_cancel() : 인자로 지정된 쓰레드를 종료
  • 전체 프로세스가 종료되는 경우
    • main() 함수의 return
    • (어느 thread 에서든) exit() 호출
    • exec() 시리즈로 새로운 코드가 로드된 경우

쓰레드 종료 대기: pthread_join()

• thread 의 종료를 대기하고, retval 에 종료 상태값을 전달함
  • 프로세스에서의 wait() 와 유사한 역할
• Return value
  • On success: 0 , On error: error number (not zero)
• pthread_detach
  • 만약 쓰레드를 join 하지 않기로 결정했다면,
  • detach 를 수행하여 쓰레드 종료 시, 즉각 쓰레드를 destroy 하도록 함
  • 예) 프로세스의 경우, wait()를 수행하지 않으면 좀비 프로세스가 됨
    • 쓰레드는 detach 를 시킨 경우, 다른 쓰레드가 join 을 수행하지 않아도 무방함