제 4 장. 쓰레드, SMP, 그리고 마이크로커널

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제 4 장 . 쓰레드 , SMP, 그리고 마이크로커널

4 장의 강의 목표

• 쓰레드(thread)의 개념을 이해하고, 프로세스와의 차이점 를 구별한다.

• 쓰레드의 장단점을 이해한다 .

• 사용자 수준 쓰레드와 커널 수준 쓰레드의 개념을 이해한 다.

• 대칭적 다중처리(SMP)에 대해서 이해한다.

• 마이크로 커널의 개념과 장단점을 이해한다 .

• Windows, Solaris, Linux의 쓰레드 관리 및 SMP 관리 기법

을 이해한다.

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목 차

4.1 프로세스 및 쓰레드(Thread)

4.2 대칭적 다중처리 (Symmetric Multiprocessing, SMP) 4.3 마이크로 커널 (Microkernels)

4.4 Windows 쓰레드 및 SMP 관리 4.5 Solaris 쓰레드 및 SMP 관리 4.6 Linux 프로세스 및 쓰레드 관리

쓰레드, SMP 및 마이크로커널 3

4.1 프로세스와 쓰레드 (thread)

•

프로세스

– 실행 중인 프로그램(A program in execution)

Î자원 소유권(resource ownership)

Î수행/스케줄링(execution/scheduling)개체

– 메모리(코드, 데이터, 스택), 파일, signal, IPC, accounting, … – CPU 레지스터 정보, 스케줄링 정보

• 현대 OS에서 프로세스는 태스크(task) 및 쓰레드(thread)라 는 두 객체(특성)로 분리

– 태스크: Resource Container (사용자 문맥, 시스템 문맥) – 쓰레드: 제어 흐름(실행 정보, 레지스터 문맥)

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다중쓰레딩

• 단일 쓰레딩(threading) vs. 다중쓰레딩(Multithreading)

– 단일 프로세스 내에 다중 쓰레드 실행을 지원 가능

쓰레드, SMP 및 마이크로커널 5 4.1 프로세스와 스레드

프로세스와 쓰레드 사례

• MS-DOS는 단일 사용자 프로세스와 단일 쓰레드를 지원

• UNIX 계열의 여러 운영체제는 다중 사용자, 다중 프로세스

를 지원하지만 , 프로세스 당 하나의 쓰레드를 지원한다 .

• Java 수행시간환경(run-time environment)은 하나의 프로 세스가 다중 쓰레드를 지원한다.

• 최신 버전의 UNIX, Windows, Solaris는 다중 쓰레드를 지 원하는 다중 프로세스를 사용한다.

4.1 프로세스와 스레드 다중 쓰레딩

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다중쓰레딩 환경

• 태스크 (또는 프로세스) 관련 사항

– 프로세스 이미지를 유지하는 가상 주소 공간

– 처리기, (IPC를 위한) 다른 프로세스, 파일, I/O 자원들에 대한 접 근제어

• 쓰레드 관련 사항

– 실행 상태(수행, 준비, 블록, …)

– 수행 중이 아닐 때 저장되는 쓰레드 문맥 – 실행 스택

– 지역 변수 저장을 위해 각 쓰레드가 사용하는 어떤 정적 저장소 (storage)

– 자신 프로세스의 메모리 및 자원들에 대한 접근 공유

• 한 프로세스 내의 모든 쓰레드들은 그 프로세스의 자원들 을 공유

쓰레드 모델

• 단일/다중 쓰레드 모델

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쓰레드의 장점 (benefits)

• 프로세스에 비해 새로운 쓰레드 생성 시간/비용이 절약

• 프로세스 종료 시간보다 쓰레드 종료 시간이 짧다.

• 한 프로세스 내의 쓰레드들 사이의 교환/교체 시간이 짧다.

• 동일 프로세스 내의 쓰레드들은 메모리 및 파일을 공유하기 때문에 , 이들 쓰레드들은 커널의 개입 없이 서로 통신 가능

• 한 프로그램의 구조(structure)를 단순화

– Module program structure

• 다중처리기(multiprocessor)의 효율적 사용

– 빠른 수행

• 빠른 IPC (메시지 전송이 아닌 공유 메모리 사용 가능)

– 비동기 처리

• 병행 서버 (listening thread and responding threads)

– Foreground and background processing

• 예: 쓰레드를 사용한 원격 프로시져 호출

쓰레드의 기능

4.1 프로세스와 스레드

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쓰레드의 기능 ( 계속 )

• 쓰레드 상태

– 수행 / 준비 / 블록/ 종료 – 기본적인 쓰레드 연산:

• 생성(Spawn), 디스패치(Dispatch), 블록(Block), 비블록(Unblock), 종료(Finish)

– 그림 4.4: 단일 처리기 상에서 다중 쓰레딩 예

)보류= Suspend(?)

쓰레드 동기화 (synchronization)

• 한 프로세스 내의 모든 쓰레드들은 동일 주소 공간 및 자원 들을 공유

• 공유 자원

– 전역 변수/ 파일

– 동적 할당 메모리: 예)이중 연결 리스트(double linked lists)

• 공유 자원에 대해 동시 접근 시(특히, 갱신 시), 일관성 유지 기법 필요

– 예) 한 공유 변수에 대해 읽기 연산은 동시 접근이 가능하나, 쓰기 연산은 한 순간에 하나만 가능

– 동기화 관련 내용은 제5장 및 제 6장에서 다룸

쓰레드의 기능 4.1 프로세스와 스레드

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사용자 수준 쓰레드와 커널 수준 쓰레드

• User-Level Thread(ULT) vs. Kernel-Level Thread(KLT)

Kernel-supported thread Lightweight process

• 사용자 수준 쓰레드

– 응용이 모든 쓰레드 관리를 책임짐:쓰레드 라이브러리가 쓰레드 생성, 제거, 데이터 전송, 동기화, 스케줄, 문맥교환을 수행

– 커널은 쓰레드의 존재를 모름

– 쓰레드 라이브러리 예:cthread,pthread등

• 커널 수준 쓰레드

– 커널이 프로세스 및 쓰레드에 대한 문맥 정보를 관리 – 쓰레드에 대한 스케줄링이 커널 수준에서 수행됨 – 예: Windows

• 결합된 접근 방법 (Combined approach)

– 예: Solaris

사용자 수준 쓰레드와 커널 수준 쓰레드 ₍ 계속 )

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사용자 수준 쓰레드

•

사용자 수준 쓰레드의 장점

– 쓰레드 교환/교체 시에 커널 모드 권한이 불필요

• 두 번의 모드 전이 오버헤드를 절약 가능 – 특정 응용에 적합한 스케줄링 적용 가능 – 모든 OS에서 수행 가능

•

사용자 수준 쓰레드의 단점

– 한 쓰레드가 블록 상태를 유발하는 시스템 호출을 수행할 경우, 자신은 물론 그 프로세스 내의 모든 다른 쓰레드들도 블록됨 – 다중처리기의 장점을 살리지 못함.

4.1 프로세스와 스레드 사용자 수준 쓰레드와 커널 수준 쓰레드

• 사용자 수준 쓰레드 상태와 프로세스 상태 사이의 관계

사용자 수준 쓰레드

4.1 프로세스와 스레드 사용자 수준 쓰레드와 커널 수준 쓰레드

스레드2가 입출력 시스템 호출

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프로세스와 쓰레드 간의 관계

4.2 대칭적 다중처리

• 전통적으로 컴퓨터는 순차적 실행 기계임

– 처리기 하나는 한 시점에 한 명령어 만을 처리할 수 있음 – Each instruction is a sequence of operations

• 병렬성(parallelism) 지원을 위한 두 가지 방법

– 대칭적 다중처리(Symmetric MultiProcessors: SMP) – Clusters (chapter 16)

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SMP 구조

•

컴퓨터 시스템의 분류 (by Flynn)

– Single Instruction Single Data (SISD) stream

• 단일 처리기가 한 메모리에 저장된 데이터를 처리하기 위해 단일 명령 스트림을 수행

– Single Instruction Multiple Data (SIMD) stream

• 각(동일) 명령이 서로 다른 데이터 집합에 대하여 서로 다른 처리기에

의해 수행

• 벡터 및 배열 처리기(vector and array processors)

• Pentium 처리기의superscalar 구조

– Multiple Instruction Single Data (MISD) stream

• (같은) 일련의 데이터가 처리기들의 집합에 전송되고, 각 처리기는 서로 다른 명령을 수행

• 지금까지 구현된 적이 없음

– Multiple Instruction Multiple Data (MIMD) stream

• 다수의 처리기가 서로 다른 데이터 집합에 대하여 서로 다른 일련의 명 령어들을 동시에 수행

쓰레드, SMP 및 마이크로커널 19 4.2 대칭적 다중처리

병렬 처리기들의 분류 (Categories of Parallel Processors)

4.2 대칭적 다중처리 SMP 구조

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SMP 구성

쓰레드, SMP 및 마이크로커널 21 4.2 대칭적 다중처리

• 캐시 일관성 문제

SMP 를 위한 OS 설계 시 고려 사항

•

목적: 사용자가 다중프로그래밍 단일처리기 시스템

(multiprogramming uniprocessor system)과 동일한 관점을 가 질 수 있게 자원을 관리

•

동시적 병행 (simultaneous concurrent) 프로세스 또는 쓰레드

– 재진입(reentrant) 커널 코드, 분리된(separated) 커널 자료 구조

•

SMP 를 위한 스케줄링

– 전역 큐/ 지역 큐, 집단 스케줄링(gang scheduling), 친화성(affinity)

•

동기화

– 상호배제(mutual exclusion), 사건 순서화(event ordering)

•

메모리 관리

– 다중포트 메모리(multiport memory): dualport memory

•

신뢰성 및 결함 허용 (fault tolerance)

– 이주(migration)

4.2 대칭적 다중처리

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4.3 마이크로 커널 (Microkernel)

• OS 는 초대형 프로그램

– OS/360의 첫 번째 버전: 백만 줄 이상의 코드로 구성 – Multics는 2천만 줄의 코드로 구성

→ 모듈화 프로그래밍 기술 필요

• 커널 구조

– 단일체 (monolithic) 운영체제

• 계층적(Layered) 커널

– 각 계층은 상당한 기능을 포함하고 인접 계층 간에 많은 상호 작용 – 한 계층의 변화는 인접한 계층에 여러 영향을 미침

– 마이크로 커널(Microkernel)

단일체 커널 (Monolithic Kernel)

• Monolithic Architecture

– Every component contained in kernel

• Any component can directly communicate with any other – Tend to be highly efficient

– Disadvantage is difficulty determining source of subtle errors

4.3 마이크로 커널

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마이크로 커널의 구조

• 마이크로 커널: 스케줄링, 보호, 메시지 교환 등등의 필수적인 핵심OS 기능/함수들만 유지

– 서비스: 장치 드라이버(driver), 파일 시스템, 가상 메모리 관리자, 윈도우 시스템, 보안 서비스 등과 같은 기능들을 제공

쓰레드, SMP 및 마이크로커널 25 4.3 마이크로 커널

마이크로커널 구성의 이점 (benefits)

• 일관된 인터페이스(uniform interface)

– 메시지 전달에 의해 제공되는 커널 및 사용자 수준 서비스

• 확장성(extensibility)

– 새로운 서비스의 삽입이 용이

• 유연성(flexibility, 융통성)

– 서비스의 삽입 및 삭제가 용이하여 응용에 최적인 운영체제 구성 가능

• 이식성(portability)

– 새로운 구조의 시스템에 커널 포팅이 용이

• 신뢰성(reliability)

– 모듈 단위로 설계된 커널보다, 작은 마이크로 커널이 더 철저히 검증될 수 있다.

• 분산 시스템 지원에 적합

– 마이크로커널은 근본적으로 클라이언트-서버 모델

– 마이크로커널 수준에서, 프로세스는 해당 서비스가 어떤 목표(대상) 시스템에서 처리되는 지를 파악할 필요 없이 메시지를 전송

• 객체지향 운영체제와 잘 부합

– 마이크로커널은 객체 지향의 원리를 반영 4.3 마이크로 커널

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마이크로커널의 성능

• 일관된 인터페이스(uniform interface)에 의한 요청 처리

– 메시지 전송 방식으로 모든 서비스를 제공

– 커널 수준 서비스 및 사용자 수준 서비스 사이의 차이점 구별이 없음

• 성능 상의 고려사항 (performance consideration)

– 1세대 마이크로 커널– 단일체 커널에서 단일 시스템 호출 처리

시간보다, 마이크로커널에서 메시지를 통한 서비스 요청 및 응 답 처리 시간이 더 걸림

– 2세대 마이크로커널(예: L4) – 12KB의 코드와7개의 시스템 호

출로 구성되어, 계층화된OS에 비해 성능이 떨어지지 않음

쓰레드, SMP 및 마이크로커널 27 4.3 마이크로 커널

마이크로커널의 설계

• 마이크로커널에서 제공할 서비스

– 저수준 메모리 관리(Low-level Memory Management) – IPC (Interprocess Communication): 메시지, 포트, … – I/O 및 인터럽트 관리

– 저수준 메모리 관리

• 가상 페이지 각각을 물리적 프레임으로 사상시켜주는 기능 포함

• 주소공간 보호, 페이지 교체, 페이징 논리는 메모리 관리 서버로 구현

• 예) 그림4.11

– Mach의 외부 페이지(external pager)가 페이지폴트(page fault)를 처 리하는 예

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• 프로세스간 통신

– 포트를 기반으로 한 메시지 사용

• I/O와 인터럽트 관리

– 하드웨어 인터럽트를 메시지로 처리

마이크로커널의 설계 ( 계속 )

사례 연구(Case Studies)

• Windows, Solaris, Linux

• 서로 다른 운영체제 환경에 의해 지원되는 프로세스 구 조와 기능 표현 방법

– 프로세스의 이름 부여 방법

– 프로세스 내에서 쓰레드의 지원 여부 – 프로세스의 표현 방법

– 프로세스 자원의 보호 방법

– 프로세스간 통신과 동기화를 위해서 사용되는 기법 – 프로세스들이 상호 연관되는 방법

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Windows 쓰레드 및 SMP 관리

• Windows 프로세스

– 프로세스와 서비스는 객체로 구현

– 각 프로세스는 하나 이상의 쓰레드 포함

– 각 프로세스와 쓰레드는 내재된 (built-in) 동기화 기법 포함

• SMP 지원

– Threads can run on any processor – But an application can restrict affinity – 연성 친화력(Soft Affinity)

• The dispatcher tries to assign a ready thread to the same processor it last ran on.

• This helps reuse data still in that processor’s memory caches from the previous execution of the thread.

– 경성 친화력(Hard Affinity)

• An application restricts threads to certain processor

Windows 쓰레드 및 SMP 관리

• Windows 프로세스와 자원 (그림 4.12)

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Windows 쓰레드 및 SMP 관리

• 프로세스 객체 및 쓰레드 객체 (그림 4.13)

Windows 쓰레드 및 SMP 관리

• 그림 4.14: 6가지 쓰레드 상태

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Solaris 쓰레드 및 SMP 관리

• 다단계 쓰레드 구조

– 프로세스: 보통의 UNIX 프로세스

• 사용자 주소공간, 스택, 프로세스 제어 블록(PCB) 등을 포함 – 사용자 수준 쓰레드 (ULT)

• 프로세스 주소공간에서 쓰레드 라이브러리를 통해 구현 – 경량 프로세스 (Lightweight processes ≡ LWP)

• ULT와 커널 쓰레드 사이의 사상(mapping) – 커널 쓰레드 ≡ 커널 수준 쓰레드 (KLT)

• 처리기에 수행되는 기본 개체

→ 그림 4.15 참조

Solaris 쓰레드 및 SMP 관리

• 프로세스와 쓰레드 관계

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Solaris 쓰레드 및 SMP 관리

• Solaris 다중쓰레드 구조의 예

Solaris 쓰레드 및 SMP 관리

• 동기 (motivations)

– 어떤 프로그램은 논리적인 병렬성(parallelism)을 가지지만 하드웨 어 병렬성을 요구하지 않는다. Æ 하나의 LWP에 ULT들의 집합 사 상 가능

• 예: 다중 윈도우 환경에서 한 순간에 하나의 윈도우만이 활성화 – 어떤 응용이 (I/O 요청과 같이) 블록될 수 있는 쓰레드를 포함하는

경우에는 다수의 LWP를 이용하는 것이 효과적

– 어떤 응용에서는 ULT를 LWP에 일대일로 사상하는 것이 효과적

• 예: 병렬 배열 계산 (parallel array computation)

– 혼합 형태(Hybrids): bound and unbound ULTs가 공존

• 예: 어떤 쓰레드는 RT 스케줄링을 수행하고, 나머지 쓰레드는 후면 함 수(background functions)을 수행

– 순수 커널 쓰레드

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Solaris 쓰레드 및 SMP 관리

• 전통적인 UNIX 및 Solaris에서 프로세스 구조 (그림 4.16)

Solaris 쓰레드 및 SMP 관리

• Solaris thread state

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Solaris 쓰레드 및 SMP 관리

• 활성화(active, 수행 중) 상태의 ULT 쓰레드에 대한 상태 전이의 예

– 동기화 필요: 수면(sleeping) 상태로 전이

• 예: 5장에서 기술될 상호배제 필요

– 보류(suspension): 쓰레드를 보류시켜 정지(stopped) 상태로 전 이

– 선점(preemption):

• 활성화 상태의 쓰레드가 수행가능(runnable) 상태로 전이 – 양보(yielding):

• thr_yield() 라이브러리 함수를 호출하면 수행가능 상태로 전이

) Solaris: Interrupts as Threads

• 인터럽트 쓰레드 도입

Linux 프로세스 및 쓰레드 관리

• Linux 태스크 (task_struct 자료구조)

– 상태

• Running, Interruptable, Uninterruptable, Stopped, Zombie – 스케줄링 정보

• 정책: SCHED_RR, SCHED_FIFO, SCHED_OTHER

• O(1) scheduler in Linux 2.6.*

– 식별자(pid, uid, gid) – 프로세스간 통신 (IPC)

– 링크: 부모 프로세스, 준비 상태의 프로세스들, 블록상태의 프로세스들 – 시간과 타이머

– 파일 시스템 – 주소 공간

– 처리기 의존 문맥(processor-specific context) : 레지스터 및 스택 정 보

) Linux: 다른 플래그(flag)를 갖는 clone()

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Linux 프로세스 및 쓰레드 관리

• 프로세스/쓰레드 모델 – 정지(stopped)

– 수행 중(executing) – 좀비 (zombie)

∗ 시그널(signal)

∗ 사건(event)

요 약

• 프로세스와 쓰레드

– 자원 컨테이너 대 제어 흐름 – 쓰레드 상태

– 사용자 수준 쓰레드(ULT) 대 커널 수준 쓰레드(KLT)

제 4 장. 쓰레드, SMP, 그리고 마이크로커널