스레드: 사용자·커널 수준 스레드와 Thread Pool, Fork-Join

스레드

프로세스의 두 특성인 자원과 제어 중 제어만 분리한 실행 단위다. 프로세스 내부의 작업 흐름이라고 할 수 있다.
프로세서 활용의 기본 단위다. 프로세스는 최소 하나의 스레드를 가지며 스케줄링은 스레드 단위로 이루어진다.
같은 프로세스의 스레드들은 프로세스 관리 정보와 주소 공간을 공유한다. Stack만 스레드마다 따로 가지고, Code·Data·Heap은 공유한다. (프로세스 주소 공간 참고)

스레드의 구조

단일 스레드와 다중 스레드 프로세스 모델

다중 스레드는 프로그램 하나를 여러 실행 단위로 쪼개어 실행한다는 점에서 다중 처리와 비슷하다.

프로세스에 PCB가 있듯이 스레드는 TCB(Thread Control Block)를 가진다. PCB는 TCB의 리스트를 가지며, 같은 프로세스의 스레드끼리는 서로 보호되지 않는다. TCB의 내용은 다음과 같다.

사용자 수준 스레드의 다대일 매핑

장점은 커널의 개입을 받지 않는 데서 나온다.

단점은 다음과 같다.

시스템의 동시성을 지원하지 않는다. 커널은 프로세스 단위로 자원을 할당하므로, I/O 등으로 스레드 하나가 block 되면 같은 프로세스의 다른 스레드도 실행할 수 없다.
멀티 프로세서를 활용할 수 없다.
시스템 전반에 걸친 스케줄링 우선순위를 지원하지 않는다. 스레드 생성 시 우선순위를 정할 수는 있지만, 어떤 스레드가 먼저 동작할지 정확히 보장되지 않는다.
스레드 간 보호가 불가능하다.

장점은 다음과 같다.

단점은 다음과 같다.

사용자 스레드와 커널 스레드를 어떻게 연결하느냐에 따라 나뉜다.

Many-To-One (n:1): 커널 스레드 하나가 여러 사용자 스레드를 담당한다. 사용자 수준 스레드가 이 방식이다.
One-To-One (1:1): 커널 스레드 하나가 사용자 스레드 하나를 담당한다. 스레드 하나가 block 되어도 다른 스레드를 실행할 수 있지만, 스레드마다 커널 스레드를 생성해야 하므로 오버헤드가 크다. 리눅스가 이 모델을 사용한다.
Many-To-Many (n:m): 여러 커널 스레드가 여러 사용자 스레드를 담당한다.

Many-To-Many와 One-To-One을 섞어 필요에 따라 유연하게 동작하는 혼합형 모델도 있다. 효율과 유연성을 함께 얻는 방식이다.

User Thread와 Kernel Thread의 매핑 모델

커널이 스레드를 어떤 범위에서 스케줄링하는지는 Thread Scheduling에서 이어서 다룬다.

작업 처리에 사용할 스레드를 제한된 개수만큼 미리 만들어 두고, 작업 큐(Queue)에 들어오는 작업을 스레드가 하나씩 맡아 처리하는 방식이다. Java에서는 Executors, ExecutorService로 사용한다.

작업 큐의 작업을 스레드에 할당하는 Thread Pool 구조

주의할 점은 다음과 같다.

하나의 작업을 여러 개의 Sub Task로 분리(Fork)해 각각 처리하고, 그 결과를 합쳐(Join) 최종 결과를 만드는 방식이다. Java는 ForkJoinPool로 지원한다.

작업을 분할하는 Fork와 결과를 합치는 Join

Thread Pool의 두 번째 문제, 즉 한 스레드의 일이 너무 많고 다른 스레드는 여유로울 때 일을 재분배하는 방법으로 볼 수 있다.