[CS] 스레드(Thread), 멀티 스레드(Multi-Thread)

 

1. 스레드(Thread)

스레드는 사전적 의미로 한 가닥의 실이라는 뜻입니다. 한 가지 작업을 실행하기 위해 순차적으로 실행한 코드를 실처럼 이어 놓았다고 해서 유래된 이름입니다. 하나의 스레드는 코드가 실행되는 하나의 흐름이기 때문에, 한 프로세스 내에 스레드가 두 개라면 코드가 실행되는 흐름이 두 개 생긴다는 의미입니다.

 

스레드의 특징

• 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위
• 각 스레드마다 call stack이 존재(call stack: 실행중인 서브루틴을 저장하는 자료 구조)
• 스레드는 다른 스레드와 독립적으로 동작

 

 

스레드(thread)는 어떠한 프로그램 내에서, 특히 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위를 말한다.

일반적으로 한 프로그램은 하나의 스레드를 가지고 있지만, 프로그램 환경에 따라 둘 이상의 스레드를 동시에 실행할 수 있다. 이러한 실행 방식을 멀티스레드(multithread)라고 한다.

 

2. 멀티 스레드(Multi-Thread)

멀티 태스킹은 두 가지 이상의 작업을 동시에 처리하는 것을 의미합니다. 운영체제는 멀티 태스킹을 할 수 있도록, 프로세스마다 CPU 및 메모리 자원을 적절히 할당하고 병렬로 실행합니다. 예를 들어 워드로 문서작업을 하면서, 동시에 Chrome 브라우저에서 음악을 들을 수 있습니다. 물론 멀티 태스킹은 꼭 멀티 프로세스를 의미하는 것은 아닙니다. 하나의 프로세스 내에서 멀티 태스킹을 할 수 있도록 만들어진 애플리케이션도 있습니다. 하나의 프로세스가 어떻게 두 가지 이상의 작업을 처리할 수 있을까요? 그 비밀은 멀티 스레드에 있습니다.

멀티 프로세스가 애플리케이션 단위의 멀티 태스킹이라면, 멀티 스레드는 애플리케이션 내부에서의 멀티 태스킹이라고 할 수 있습니다.

멀티 스레드는 다양한 곳에서 사용됩니다. 대용량 데이터의 처리시간을 줄이기 위해 데이터를 분할하여 병렬로 처리하는 데에 사용할 수도 있고, UI를 가지고 있는 애플리케이션에서 네트워크 통신을 하기 위해 사용할 수도 있습니다. 그리고 여러 클라이언트의 요청을 처리하는 서버를 개발할 때에도 사용됩니다.

 

멀티 스레딩의 장점

프로세스를 이용하여 동시에 처리하던 일을 스레드로 구현할 경우, 메모리 공간과 시스템 자원의 소모가 줄어듭니다. 스레드 간의 통신이 필요한 경우에도 별도의 자원을 이용하는 것이 아니라, 전역 변수의 공간 또는 동적으로 할당된 공간인 Heap 영역을 이용합니다. 따라서, 프로세스 간 통신 방법(IPC)에 비해 스레드 간의 통신 방법이 훨씬 간단합니다. 시스템의 처리량(Throughput)이 향상되고 자원 소모가 줄어들어 자연스럽게 프로그램의 응답 시간이 단축됩니다. 이런 장점 때문에 여러 프로세스로 할 수 있는 작업을 하나의 프로세스에서 스레드로 나눠 수행합니다.

 

문제점

멀티 프로세스 기반으로 프로그래밍할 때에는 프로세스 간 공유하는 자원이 없습니다. 따라서 동일한 자원에 동시에 접근하는 일이 없었지만, 멀티 스레딩을 기반으로 프로그래밍할 때에는 공유하는 자원에 대하여 고민이 필요합니다. 서로 다른 스레드가 같은 데이터에 접근하고, 힙 영역을 공유하기 때문에 서로 다른 스레드가 서로 사용중인 변수나 자료구조에 접근하여 엉뚱한 값을 읽어오거나 수정하는 일이 발생할 수 있습니다.

그렇기 때문에 멀티스레딩 환경에서는 동기화 작업이 필요합니다. 동기화를 통해 작업 처리 순서를 제어하고, 공유 자원에 대한 접근을 제어해야 합니다.

관련 키워드

• 데드락(Deadlock, 교착 상태)
• 뮤텍스(Mutex), 세마포어(Semaphore)

 

프로세스와 멀티스레드

프로세스와 스레드 구성

멀티프로세스와 멀티스레드는 양쪽 모두 여러 흐름이 동시에 진행된다는 공통점을 가지고 있습니다.

하지만 멀티프로세스에서 각 프로세스는 독립적으로 실행되며 각각 별개의 메모리를 차지하고 있는 것과 달리 멀티스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유해 사용할 수 있다. 또한 프로세스 간의 전환 속도보다 스레드 간의 전환 속도가 빠릅니다.

멀티스레드의 다른 장점은 CPU가 여러 개일 경우에 각각의 CPU가 스레드 하나씩을 담당하는 방법으로 속도를 높일 수 있습니다. 이러한 시스템에서는 여러 스레드가 실제 시간상으로 동시에 수행될 수 있기 때문입니다.

멀티스레드의 단점에는 각각의 스레드 중 어떤 것이 먼저 실행될지 그 순서를 알 수 없다는 것이 있습니다. 

 

 

동시성과 병렬성의 차이

싱글 코어와 멀티 코어 예시

• 동시에 돌릴 수 있는 스레드 수는 컴퓨터에 있는 코어 갯수로 제한됩니다. 운영체제(또는 가상 머신)는 각 스레드를 시간에 따라 분할하여, 여러 스레드가 일정 시간마다 돌아가면서 실행되도록 합니다. 이런 방식을 시분할이라고 합니다.
  • Concurrency(동시성, 병행성): 여러 개의 스레드가 시분할 방식으로 동시에 수행되는 것처럼 착각을 불러일으킴
  • Parallelism(병렬성): 멀티 코어 환경에서 여러 개의 스레드가 실제로 동시에 수행됨

 

Context Switching

다른 태스크(프로세스, 스레드)가 시작할 수 있도록 이미 실행중인 태스크(프로세스, 스레드)를 멈추는 것을 Context Switching이라고 합니다.