[OS / 운영체제] TCB, Multicore Programming, Concurrency vs Parallelism, Amdahl's Law, Kernel Thread, Scheduler Activation

Motivation

 

두 개의 프로그램을 만들고 싶을 때 프로세스를 사용하면 안정성이 좋아진다. 하나의 프로세스 안에서 쓰레드를 두 개 사용하다가 하나의 쓰레드가 죽으면 해당 프로세스가 죽어버리기 때문에 안정성 측면에서 좋지 않다. 하지만 쓰레드는 더 경제적이고 정보를 공유할 때 편리하다. 프로세스는 원래 독립적인 Entity이므로 쉽지 않다. 쓰레드끼리 통신을 할 때 Shared Memory가 필요하지 않다. 그저 전역 변수를 사용하면 가능하다. 

 

 

Overview

프로세스는 실행 중인 프로그램을 의미하고 독립적인 자원이다. 반면 쓰레드는 프로세스 안의 프로그램이여서 자원을 공유해서 사용한다. Thread ID와 PC, register set, stack들로 구성되어 있다. PC는 쓰레드 마다 하나씩 가지고 있어야 한다. Stack은 로컬 변수가 저장되는 곳이고 Function call을 할 때 주소가 저장된다. 

 

 

Multithreaded Process

code data files는 전역으로 공유하는 데이터이고 해당 데이터를 공유하다. register와 stack은 쓰레드별로 존재해야 한다.

 

TCB

Scheduling의 기본 단위가 Thread인 경우가 많다. Pointer to PCB, 프로세스와 쓰레드는 Parent Child 관계가 있을 수 있다. 내가 속한 프로세스의 PCB에 대한 포인터도 가지고 있어야 한다. TCB 속에서 PCB의 Linked List를 저장할 수 있는 Header Pointer가 존재한다. 

 

Why Thread

request가 들어오면 Thread를 만들어서 Client의 작업을 수행하도록 할 수 있거나 프로세스를 사용할 수 있다. 쓰레드를 사용하면 경제적이지만 안정성이 떨어진다는 단점이 있다.

 

 

Why Thread

멀티 프로세서의 파워를 활용해서 더 많은 일을 하게 할 수 있다. 유저의 Interface를 가리키는 것을 제외하고 간단한 작업에 해당하는 것을 Thread로 사용한다. 자원을 공유하기가 쉽다. 쓰레드를 만드는 것이 프로세스를 사용하는 것보다 Overhead가 덜 발생한다.

 

Multicore Programming

activity를 나눠야 프로세스를 할당할 수 있다. Data도 마찬가지로 분리를 시켜놔야 한다. Data dependency, 독립적인 데이터로 만들어야 한다. 디버그하는 것이 어렵다. 

 

Concurrency vs Parallelism

스케줄러에 의해서 작업을 할 때 Cocurrency라고 부른다. Parallelism CPU가 동시에 돌아가는 것을 의미한다. 

 

 

Multicore Programming

data P - 동일한 일을 하지만 프로세스들이 맡은 영역이 다른 것. 굉장히 긴 배열을 더하는데 하나는 짝수 하나는 홀수로 나눌 수 있다고 하셨다. 더하는 작업은 동일하지만 하나는 짝수 하나는 홀수로 부를 수 있기 때문이다. 같은 코드를 사용하는데 어떻게 다른 데이터를 처리할 수 있는가. Thread 별로의 Index를 다르게 설정할 수 있다. Thread의 개수가 늘어나면 architecture support를 늘어나게 할 수 있다. 쓰레드를 CPU가 동시에 실행할 수 있는 쓰레드를 하드웨어 쓰레드라고 부른다. 

 

 

Amdahl's Law

병렬처리를 할 때 퍼포먼스가 몇 배 빨리질 수 있는 가를 분석한 법칙이다. 속도에 관한 식이므로 걸리는 시간을 구해서 분모로 보내서 역수를 취해야 한다. 

 

 

Types of Threads

User thread와 Kernel thread 두 개로 나뉜다. user level에서도 쓰레드를 브랜치 할 수 있다. kernel 쓰레드는 하나만 존재하는 데 Thread LIbrary가 이를 공유해서 여러 개의 Thread를 만드는 것이 User Thread라고 부른다. 실제 User Thread는 Library function을 호출해서 생성한다. 일반 Function call을 사용하면 된다. kernel은 User Thread에 신경을 쓰지 않아도 된다. 또한 user Thread는 Creating 하거나 Switching하는 Overhead가 적기 때문에 더 가볍다. 

 

 

Kernel Thread

Kernel 내부에 데이터 구조 테이블이 존재한다. PCB와 TCB에 해당하는 테이블들이다. User Thread에 대한 데이터 구조를 가지고 있을 필요가 전혀 없다.

 

 

Multithreading Models

User Thread는 하나의 랜선으로 공유기를 통해 여러 개를 사용하는 것과 비슷하다고 비유하심. 실제로 Kernel Thread에 연결되어야 사용할 수 있다. 일대일 매칭이 되지 않지만 남은 하나는 Scheduling의 개념으로 실행이 되게 된다. 

 

 

Multithreading Models

User Thread와 Kernel Thread가 어떻게 연결되어 있는가? User level Thread Library가 user Thread를 만든다. kernel scheduler가 하는 것이 아님. User level Thread LIbrary가 해주는 것. Kernel이 Thread를 지원하지 않아도 Multi Thread를 만들 수 있다. 

 

One to One model

kernel Thread와 User Thread가 일대일로 매칭되어 있다. Linux에서 Thread를 하나 만들었다면 그것은 User Thread가 아니라 Kernel Thread이다. 

 

 

Multithreading Models

3개의 Kernel thread와 User thread 4로 구성됨. 기본적인 Many to Many model에서 안정성을 더한 Two level model도 존재함. 

 

 

Scheduler Activation

LWP란?? Kernel Thread와 User Thread를 어떻게 Mapping 시키는지에 관한 데이터 구조이다. User level library는 User쪽의 Thread를 관리해주는데 Kernel과 User를 어떻게 연결시키는가. 중국집 웨이터와 주방 사이의 관계. 음식 주문서에 해당하는 것이 LWP이다. 책에 따라 LWP를 Kernel Thread라고 부르기도 한다. 

 

Scheduler Activation

LWP는 Virtual에 해당한다고 표현. kernel Thread가 돌아가다가 멈추는 Block 상태에 들어왔다고 하자. 그때의 LWP를 넘겨야 한다. Block되었다는 Event를 Scheduler가 알 수 없기 때문에 그것을 아는 것은 OS이고 kernel이다. 하지만 작업을 수행해야 하는 것은 User level Library이다. 이런 메커니즘을 Up Call 이라고 부른다. 대부분의 경우는 User가 Kernel을 호출하지만 이 경우 Kernel이 User를 호출한다. Up Call Handler는 User level Thread Library에 존재한다.