스레드와 동시성

스레드란?

  • **스레드(thread)**는 CPU 사용의 기본 단위이며, 다음 구성 요소로 이루어진다:

    • 고유 식별자 (Thread ID)

    • 프로그램 카운터 (PC, Program Counter)

    • 레지스터 집합

    • 스택

  • 같은 프로세스 내의 다른 스레드들과 다음 자원을 공유한다:

    • 코드 섹션

    • 데이터 섹션

    • 운영체제 자원 (열린 파일, 신호 등)

전통적인 프로세스는 하나의 스레드만 가지며, 단일 실행 흐름만 갖는다. 멀티스레드를 지원하는 프로세스는 동시에 여러 작업을 수행할 수 있다.

[도식 설명]

  • 싱글스레드 프로세스는 코드/데이터/파일은 하나이고 실행 흐름도 하나

  • 멀티스레드 프로세스는 코드/데이터/파일은 공유하되, 각각의 스레드가 독립적인 PC, 레지스터, 스택을 갖고 있음

도입 배경

현대의 대부분의 애플리케이션은 멀티스레드 방식으로 구현된다. 각 스레드는 독립적인 작업을 수행하며, 전체 애플리케이션은 하나의 프로세스로 존재한다.

예시

  • 이미지 썸네일 생성기 → 각 이미지별로 별도의 스레드에서 썸네일을 생성

  • 웹 브라우저 → 한 스레드는 화면을 렌더링, 다른 스레드는 네트워크 통신

  • 워드 프로세서 → 한 스레드는 그래픽 출력, 다른 스레드는 키 입력 처리, 또 다른 스레드는 맞춤법 검사

멀티코어 환경 활용

멀티스레딩은 멀티코어 시스템에서 병렬 처리 능력을 극대화할 수 있다. → 서로 독립적인 연산을 병렬로 실행 가능

예: 웹서버

  • 수천 명의 클라이언트가 동시에 요청할 수 있는 환경

  • 단일 스레드 프로세스 방식이면 하나의 요청만 처리 가능

  • 과거 방식:

    • 요청이 들어올 때마다 새로운 프로세스를 생성하여 처리

    • 그러나 이는 자원과 시간이 많이 소모

→ 개선 방안: 멀티스레드 웹서버 구조

  • 메인 스레드는 클라이언트 요청을 대기

  • 요청이 들어오면 새로운 스레드를 생성하여 요청 처리

  • 메인 스레드는 대기 상태로 복귀하여 다음 요청 수신 준비

[도식 설명]

  1. 클라이언트 요청 수신

  2. 새로운 스레드를 생성하여 처리

  3. 메인 스레드는 다시 대기

운영체제 커널도 멀티스레드

  • 리눅스 커널은 부팅 시 다수의 커널 스레드를 생성

  • 각 커널 스레드는 디바이스 관리, 메모리 관리, 인터럽트 처리 등을 수행

  • 예: ps -ef 명령으로 확인 시 PID=2인 kthreadd는 모든 커널 스레드의 부모

멀티스레딩 활용 사례

  • 정렬, 트리 탐색, 그래프 처리 등 기본 알고리즘

  • 데이터 마이닝, 그래픽스, 인공지능처럼 고성능 연산이 필요한 분야에서 병렬 스레드를 활용하여 처리 속도 향상

멀티스레딩의 이점 (4가지)

  1. 응답성 (Responsiveness)

    • 일부 작업이 차단되더라도 전체 애플리케이션은 계속 동작 가능

    • 예: 버튼 클릭 후 장시간 작업을 별도 스레드에서 수행 → UI는 계속 응답

  2. 자원 공유 (Resource Sharing)

    • 별도 프로세스 간에는 메모리/자원 공유가 복잡

    • 스레드는 기본적으로 자원을 공유하므로, 코드와 데이터 공유가 자연스럽고 효율적

  3. 경제성 (Economy)

    • 프로세스를 만들기 위해 메모리/자원 할당이 필요하지만

    • 스레드는 동일 프로세스의 자원을 사용하므로 생성 비용, 문맥 전환 비용 모두 낮음

  4. 확장성 (Scalability)

    • 멀티프로세서 환경에서 각각의 스레드를 병렬 실행 가능

    • 하나의 프로세스만 사용 가능했던 싱글스레드 모델에 비해 병렬성 활용 극대화 가능

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