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스레드 정의
스레드(thread)는 프로세스 내에서 실행되는 가장 작은 실행 단위로, CPU에서 독립적인 실행이 가능한 프로세스 내에서의 작업 단위이다. 스레드는 독립적으로 스케줄링할 수 있으며 동시에 여러 작업을 수행할 수 있다. 이는 프로세스 단위로 운영되는 것보다 발전된 운영체제 개념이다. 일반적으로 한 프로세스 내에서 여러 개의 스레드가 동작함으로써 프로그램의 병렬성과 효율성을 향상하게 시킬 수 있다. 스레드는 프로세스의 자원을 공유하면서 독립적으로 실행된다. 각각의 스레드는 고유한 프로그램 카운터, 레지스터 집합, 스택 등의 정보를 가지고 있다. 스레드 간의 통신은 공유 메모리를 통해 이루어지며, 이는 동기화와 관련된 문제에 유의해야 한다. 스레드 프로그래밍은 복잡한 동시성 문제를 다루기 위한 도구 및 기법이 필요하며, 적절한 동기화와 상호 배제를 통해 데이터 무결성을 유지하면서 효율적으로 다중 작업을 처리할 수 있다. 스레드는 주로 멀티코어 프로세서의 활용과 실시간 응용프로그램 등에서 중요한 역할을 수행하며, 현대 소프트웨어 개발에서 빈번하게 활용되고 있다. 프로세스의 일부를 공유할 수 있는 작은 프로세스로 만들어 공유하는데, 이 작은 프로세스(Process)를 스레드(Thread)라고 한다. 컴퓨터 프로그램 수행 시 프로세스 내부에 존재하여 실제 작업을 담당 하는 작업 수행 경로이다. 프로세스는 크게 제어 흐름 부분(실행 주체, 명령부)과 실행 환경 부분(실행 객체, 데이터부)으로 나눌 수 있다. 스레드는 제어의 흐름을 의미하는 것으로, 프로세스에서 실행 부분만을 분리한 것이다. 스레드는 프로세스 실행의 기본 단위이다. 멀티 스레딩 (Multi Threading)은 하나의 프로세스 내에서 다수의 스레드가 동시에 수행되는 것을 의미한다. 프로세스(Process)는 CPU가 하나인 시스템에서는 한순간 하나의 프로세스만 실행한다. CPU가 하나인 경우, 프로세스는 우선순위 등을 고려하여 순차적으로 실행되지만 스레드는 CPU가 하나인 경우라도 스레드의 빠른 교환을 통해 병행이 가능하다. CPU가 하나인 경우, 실행 중인 프로세스에 여러 개의 스레드가 있을 수 있어 스레드 측면에선 여러 스레드가 동시에 실행된다.
스레드 특징
스레드(thread)는 프로세스 내에서 독립적으로 실행되는 가장 작은 실행 단위로, 다수의 스레드가 하나의 프로세스 내에서 동작함으로써 병렬성과 효율성을 향상하게 시킬 수 있다. 스레드의 주요 특징은 다음과 같다.
- 경량성 및 빠른 생성/소멸 : 스레드는 프로세스보다 경량이며, 스레드는 프로세스의 일부 특성을 보인다. 생성 및 소멸이 빠르기 때문에 자원 효율성이 높기 때문에 프로그램의 응답성을 향상할 수 있다.
- 공유 자원 : 스레드는 동일한 프로세스 내에서 실행되므로 해당 프로세스의 자원을 공유한다. 이는 실행 환경을 공유시켜 기억장소 낭비가 줄어든다. 또한 데이터 및 코드 영역의 공유로 인해 효율적인 자원 활용을 가능하게 합니다.
- 병렬성 및 동시성 : 하나의 프로세스에 둘 이상의 스레드가 있는 경우, 여러 스레드가 동시에 실행될 수 있다. 스레드는 병렬성을 지원하며, 각 스레드는 독립된 제어흐름으로 수행되므로 동시성을 달성할 수 있습니다.
- 프로세스 내 통신 : 스레드는 프로세스 내에서 직접 통신할 수 있어 복잡한 작업을 분해하고 협력적으로 수행하는 데 유리하다. 또한 데이터 교환 및 공유가 용이하다.
- 동기화 및 상호 배제 : 스레드 간의 공유 자원에 접근할 때 동기화와 상호 배제가 필요하다. 이를 통해 데이터의 일관성과 무결성을 유지하고 경합 조건을 방지할 수 있다.
- 컨텍스트 스위칭 : 스레드 간 전환은 컨텍스트 스위칭을 통해 이루어진다. 이는 CPU가 여러 스레드 간에 실행을 전환하는 데 필요한 작업을 의미하며, 이를 최소화하려는 노력이 중요하다.
스레드 분류
스레드(thread)는 다양한 기준에 따라 분류될 수 있으며, 주로 실행의 흐름이나 운영체제의 지원 여부에 따라 구분된다. 각 분류에는 장단점이 있으며, 선택은 프로그램의 목적과 요구사항, 시스템의 특성 등을 고려하여 이루어져야 한다.
- 사용자 수준 스레드(User-Level Threads, ULT): 사용자 수준의 스레드는 사용자가 만든 라이브러리를 사용하여 사용자 공간에서 관리된다. 운영체제는 해당 스레드의 존재를 알지 못한다. 스레드 관리 및 스케줄링은 응용 프로그램이 담당하며, 운영체제의 개입이 없어 경량으로 동작한다. 속도는 빠르지만, 구현이 어렵다.
- 커널 수준 스레드(Kernel-Level Threads, KLT): 커널 수준 스레드는 운영체제의 커널에서 직접 관리된다. 각 스레드에 대해 운영체제가 정보를 유지하며 스케줄링을 담당한다. 이는 병렬성 및 동기화에 대한 효과적인 지원을 제공하지만, 높은 오버헤드를 가질 수 있다. 구현이 쉬우나 속도가 느리다.
- 혼합형 스레드(Hybrid Threads): 혼합형 스레드는 사용자 수준 스레드와 커널 수준 스레드를 혼합한 방식이다. 여러 사용자 수준 스레드가 하나의 커널 수준 스레드에 연결되어 효과적인 동시성과 운영체제의 지원을 조합한다.
- 실시간 스레드(Real-Time Threads): 실시간 스레드는 특정 시간 제약 내에서 동작해야 하는 실시간 시스템에서 사용된다. 이는 정확한 응답 시간과 우선순위 지원이 필요하다.
- 동일 우선순위 스레드(Equal-Priority Threads): 모든 스레드가 동일한 우선순위를 가지며, 운영체제는 이들을 공평하게 스케줄링한다. 이는 간단한 동시성 모델에서 사용된다.
스레드 장점 및 단점
스레드(thread)는 다중 작업 환경에서 다양한 장점을 제공하여 프로그램의 효율성과 성능을 향상한다.
- 병렬성 및 동시성 : 스레드는 여러 작업을 동시에 수행할 수 있어 프로그램의 병렬성을 증가시킨다. 이로써 작업을 효율적으로 분배하고 동시에 수행함으로써 전체적인 성능을 향상할 수 있다.
- 자원 공유 : 스레드는 같은 프로세스 내에서 실행되므로 해당 프로세스의 자원을 공유한다. 이는 데이터와 코드 영역을 공유하면서 메모리 및 자원의 효율적인 활용을 가능케 한다.
- 경량성 : 스레드는 프로세스보다 경량이며, 생성 및 소멸이 빠르기 때문에 더 적은 오버헤드로 다중 작업을 처리할 수 있다.
- 빠른 응답성 : 다중 스레드를 사용하면 여러 작업을 동시에 처리할 수 있어 응용 프로그램의 응답성을 향상한다. 사용자와의 상호 작용에 더 신속하게 반응할 수 있다.
- 커널 모드와 사용자 모드 간 전환이 적음 : 사용자 수준 스레드를 사용할 경우, 커널 모드와 사용자 모드 간 전환이 빈번하지 않아 오버헤드를 줄일 수 있다.
- 효율적인 작업 분할 : 다중 스레드를 활용하면 복잡한 작업을 여러 개의 작은 작업으로 분할하여 동시에 수행할 수 있습니다. 이는 작업을 효과적으로 분산시키고 병렬로 처리함으로써 성능을 최적화할 수 있습니다.
스레드(thread)를 사용하는 것은 다중 작업 환경에서 여러 가지 이점을 제공하지만, 단점 또한 존재한다.
- 동기화와 경합 조건 : 다중 스레드 환경에서는 여러 스레드가 공유 자원에 동시에 접근할 수 있어 데이터 일관성을 유지하기 위한 동기화 문제가 발생한다. 경합 조건이나 데드락과 같은 문제가 발생할 수 있어 주의가 필요하다.
- 프로그래밍 및 디버깅의 어려움 : 스레드 프로그래밍은 동기화 문제 및 복잡한 상호작용을 다루는 데 어려움을 초래할 수 있다. 디버깅도 더 복잡해지고 예측이 어려울 수 있다.
- 자원 소모와 오버헤드 : 스레드는 프로세스보다 경량 하지만, 각 스레드 간의 컨텍스트 스위칭 및 동기화를 위한 자원 소모가 발생한다. 이에 따라 높은 오버헤드가 발생할 수 있다.
- 보안과 안정성 문제 : 여러 스레드가 동시에 실행되는 환경에서는 보안 문제와 안정성에 대한 고려가 필요하다. 예측 불가능한 상황에서 예외가 발생할 수 있으며, 이는 프로그램의 안정성을 저해할 수 있다.
- 스레드 간 통신의 어려움 : 스레드 간의 효과적인 통신 및 데이터 공유를 위해서는 신중한 설계가 필요하며, 이에 따라 복잡한 코드 및 오류 발생 가능성이 증가한다.
- 비결정적 행동 : 스레드의 스케줄링은 운영체제에 의해 관리되기 때문에 실행 순서가 예측하기 어려워 비결정적 행동을 유발할 수 있다.
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