[Linux/Unix] [10] Pthread

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해당 게시글은 유닉스 환경에서 Thread, Pthread를 이용한 기초 thread programming에 대해 공부합니다.

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Thread

경량 프로세스(lightweight process: LWP)라고 불림.
- 일반적으로 자식 프로세스는 부모 프로세스와 PCB, code, static, heap, stack을 공유하지 않고 각자 자신만의 메모리 영역을 할당받는다. 따라서 부모 프로세스가 fork() 시스템 호출을 통해 자식 프로세스를 생성하면, 자식 프로세스는 부모와 독립적인 자신만의 메모리 공간을 가짐.
- thread는 PCB와 stack만 별도 할당 받고 나머지는 부모 프로세스와 공유함.
👉 프로세스에 비해 공유하는 자원이 많기 때문에, 새로운 스레드를 만들거나(생성) 스레드 간 전환(context switch)할 때 운영체제가 처리해야 할 작업(메모리 할당, 상태 저장/복원 등)이 적다. 따라서 오버헤드가 적다.

PCB(Process Control Block)

- 프로세스를 관리하고 제어하는 데 필요한 정보를 담고 있는 운영체제의 자료 구조 - 프로세스의 현재 상태(State), 프로그램 카운터(Program Counter), 레지스터 값(Registers), 스케줄링 정보 등 프로세스 관리에 필요한 모든 정보를 담고 있음.

Stack

- 프로세스나 스레드가 실행될 때 사용하는 메모리 영역 - 함수 호출 시의 복귀 주소, 지역 변수, 함수의 매개변수 등이 저장됨.

오버헤드

어떤 처리를 하기 위해 추가적으로 필요한 비용이나 간접적인 시간

전환(Context Switch)

- CPU가 현재 실행 중인 하나의 프로세스(또는 스레드)에서 다른 프로세스(또는 스레드)로 실행 흐름을 바꾸는 과정 - CPU의 레지스터 값이나 프로그램 카운터(PC) 같은 현재 실행 중인 프로세스의 상태 정보(Context)를 저장하고, 다음에 실행할 프로세스의 상태 정보를 불러와 레지스터에 로드하는 작업이 포함됩니다.

 

 

운영 체제의 관리

대부분의 OS는 여러 스레드가 하나의 프로세스에 속하도록 운영함.
새로운 프로세스 생성 시 무조건 스레드가 생성되고, exec 등으로 변경 사항이 있을 때만 새 메모리를 할당합니다.

exec

현재 실행 중인 프로세스의 메모리 공간을 새로운 프로그램으로 덮어쓰는(교체하는) 시스템 호출

프로세스 = thread group

 

multi-thread

여러 개의 thread가 하나의 프로세스 내에서 동작하는 것.
독립 동작 : 여러 개의 병행 프로세스처럼 독립적으로 동작. 
스케줄링  : 개별적으로 스케줄 가능
변수 사용
- 지역 변수 : 독립적으로 사용 (각 스레드가 자신만의 스택을 가지므로)
- 전역 변수 : 공유 (프로세스의 data 영역을 공유하므로) 👉 자원을 공유하므로 효과적이다.

예시

웹 서버 프로세스에서 Dispatcher 스레드가 네트워크 연결을 처리하고 Worker 스레드가 웹 페이지 캐시를 사용하여 작업을 수행하는 등.

 

 

Pthread(POSIX thread)

POSIX(Portable Operating System Interface)에서 정의한 thread 표준 API

- 사용을 위해서는 <pthread.h> 헤더 파일을 포함할 것.
- 컴파일 시에는 보통 gcc *.c -pthread와 같이 "-pthread" 옵션을 사용.



프로세스 동기화의 필요성
스레드는 전역 변수와 static 변수를 공유한다. 여러 스레드가 동시에 이 공유 변수를 읽고 쓸 때, 실행 순서에 따라 예상치 못한 잘못된 결과가 발생할 수 있다. 이러한 상황을 경쟁 상태(Race Condition)라고 한다. 따라서 동기화가 필요하다.

상호 배제 (Mutual Exclusion)

멀티스레드 프로그래밍에서 여러 스레드가 공유하는 자원에 동시에 접근하여 문제가 발생하는 것을 방지하기 위한 기법.

상호 배제는 오직 하나의 스레드만이 이 공유 자원을 접근하는 임계 영역(Critical Section)에 들어갈 수 있도록 보장한다.
- Pthread에서는 뮤텍스(Mutex)라는 동기화 기법을 사용하여 상호 배제를 구현.
- 공유 자원 사용 전 : pthread_mutex_lock을 호출하여 잠금 요청.
- 공유 자원 사용 후 :  pthread_mutex_unlock을 호출하여 잠금 해제 

 

 

 

Thread create

 

 

Thread exit

 

Thread join

- pthread_join을 호출한 thread는 thread에 대한 종료를 기다림. (waitpid()와 유사)

- Thread는 자신의 종료 상태를 main thread에 통보

 

 

Thread detach

- Thread가 프로세스와 분리 👉 분리 후에는 pthread_joint()으로 기다릴 수 없음.

- 자신이 사용했던 자원을 바로 반납

- Thread가 어떻게 종료되던지 상관이 없게 되었을 때 detach시킨다.

 

 

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실습 코드는 아래 Github 링크에서 확인할 수 있습니다.

https://github.com/lxvxxu/UNIX_PROGRAMMING

GitHub - lxvxxu/UNIX_PROGRAMMING: Study subjects 25-2 <UNIX_PROGRAMMING> (HAEA0014) at Sangmyung University.