5장 스레드 (Threads) 스레드 (Threads) 개요 ~ 프로세스 = 자원 + PC 스레드 : 새 PC (a thread of control)로 같은 address space를 실행하는 fork와 유사 스레드 (Threads) 개요 ~ 경량 프로세스(LWP; lightweight process) = 스레드 CPU를 이용하는 기본 단위 thread ID, PC, 레지스터 세트, 스택 영역을 가짐 스레드들은 서로 같은 프로세스의 code section, data section, OS resources-open files, signals를 공유 (그림 5.1) (예1) web browser image와 text를 display하는 thread network에서 데이터를 가져오는 thread (예2) word processor graphics를 display하는 thread keystrokes를 읽어오는 thread spelling과 grammar를 검사하는 thread 중량 프로세스(heavyweight process) = 1 thread를 가진 task 비교 경량 프로세스의 문맥교환 : CPU switching, thread context switch 레지스터 세트 교환만 중량 프로세스의 문맥교환 : process switching, context switching 레지스터 세트교환과 메모리 관련 작업도(virtual memory page table 변경 등) 2000 운영체제

Single and Multithreaded Processes 2000 운영체제

스레드(Threads) 개요 ~ 제어 다중 스레드 제어(multiple-thread control) 자신의 PC, stack, 비독립적(no protection) 다중 프로세스 제어(multiple-process control) 자신의 PC, stack, address space, 독립적(protection) 스레드의 특성 CPU공유 준비, 수행, 대기상태 자식 thread생성 block (예1) 웹 서버 구현 a single process : client의 대기시간이 매우 기어짐 multiple process : client의 요청이 올 때마다 새 process 생성, overhead multithreaded single process : 서버는 thread 생성하여 client의 요청 기다리다 요청이 오면 새 thread 생성하여 서비스, 효율적 (예2) 생산자 소비자 문제 2 threads 로 구현하면 좋음(better if on 2 processors) 2000 운영체제

스레드(Threads) 개요 Java의 thread 이용 Java에는 비동기적 동작(asynchronous behavior) 없음 (예) Java로 telnet 구현 telnet하는 클라이언트는 서버와 연결되거나 timeout될 때까지 block 되어야 함 timeout은 asynchronous event Java로 구현하려면 2개 thread 생성 telnet thread: 계속 서버에 연결 시도 timer thread: timeout 시간동안 wait하다 깨어나 telnet thread가 아직도 연결 시도 중이면 interrupt 발생하여 중지시킴 Thread의 장점 빠른 응답(responsiveness) 자원 공유(resource sharing) 경제적(economy) 다중 프로세서 구조 이용(utilization of multiprocessor architecture) 2000 운영체제

사용자 스레드와 커널 스레드 (User and kernel Threads) 사용자 스레드 (user threads) : Posix Pthreads, Mach C-threads, Solaris Threads user level의 thread library로 구현: 라이브러리가 thread생성, 스케줄링, 관리 담당 불공평한 스케줄링(unfair scheduling) 스위칭이 빠름(switching is fast) single thread인 kernel에서 사용자 수준 스레드가 blocking system call을 수행할 경우 system call 완료까지 다른 모든 스레드들은 대기해야 함 커널 스레드 (kernel threads) : Windows NT, Solaris, Digital Unix 커널이 thread생성, 스케줄링, 관리 담당 공평한 스케줄링(fair scheduling) 스위칭 시간이 김(switching is time consuming) : interrupt 처리 때문 blocking system call 수행시 커널이 다른 thread 실행 시킬 수 있음 혼합 접근 (hybrid approach) : Solaris 2 kernel 자체 (system call 수행 방법) single tasking : 초기 Unix kernel : 공유 자료 접근 동기화 불필요 multi tasking 동기적인 시스템 Mach kernel : 스레드들은 동기적임(threads are synchronous), 다른 스레드가 제어를 넘겨준 다음에만 수행 가능(공유 데이타 변경 중에는 제어를 넘겨주지 않음) 비동기적인 시스템 : 잠금 기법(locking mechanism)필요 2000 운영체제

다중 스레드 모델 (Multithreading Models) Many-to-One Model : 초기 Solaris 다수의 user-level thread가 하나의 kernel thread로 매핑 한 thread가 blocking system call하면 전체 프로세스 block One-to-One Model : Windows NT, OS/2 각 user-level thread 가 하나의 a kernel thread로 매핑 한 thread가 blocking system call 해도 다른 thread 실행 가능 User thread 생성마다 kernel thread 생성해야 함 동시성이 좋음(more concurrency): multiprocessors에서 병렬 처리(parallel processing) 가능 Many-to-Many Model : Solaris 2.6, IRIX, Digital Unix 다수의 user-level thread들이 더 적거나 같은 수의 kernel threads들로 매핑(multiplexed) 동시성이 덜 좋음(less concurrency): 커널은 한 순간에 하나의 kernel thread만 스케줄 2000 운영체제

Many-to-one Model 2000 운영체제

One-to-one Model 2000 운영체제

Many-to-many Model 2000 운영체제

Solaris 2 Threads ~ 솔라리스(Solaris) 2.x SunOS Release 4.x - Solaris 1.x kernel수준과 user수준에서 스레드 지원 symmetric multiprocessing(대칭적 다중 프로세싱) 각 process가 OS가짐 Master-slave의 반대 real-time scheduling(실시간 스케줄링) 스레드들 : LWP(Light Weight Processes) = a virtual CPU user-level (thread API들의 library) thread ID, register set(PC, stack pointer), stack, 우선순위 switching(linking with thread)이 빠르다. 문맥 교환 없음 종류 bound: LWP에 영원히 연결됨, quick response 가능 unbound: LWP 풀에 multiplexed intermediate-level = LWP kernel 자료구조, user level thread의 register set, 메모리와 계정정보 비교적 느리다. kernel-level(CPU 스케줄링 대상) 약간의 자료구조: stack, kernel registers, LWP pointer, 우선순위, 스케줄링 정보 switching이 비교적 빠르다. 2000 운영체제

Solaris 2 Threads 그림 5.5 Solaris 2의 스레드 Many LWP, many CPU N user-level thread <-> l LWP 1 LWP <-> 1 Kernel-level thread = 1 system call N Kernel-level thread <-> 1 CPU (예) 동시에 5개 화일 읽기 -> 5 LWP필요 각 화일 읽기는 Kernel 안에서 I/O완료를 기다려야 함 Solaris 2에서 한 task는 한 I/O완료를 기다리는 동안 block될 필요가 없음 : 어떤 작업의 한 LWP(kernel thread)가 I/O 완료를 기다리게 되더라도 CPU는 그 작업의 다른 LWP(kernel thread)로 이동하여 작업 수행을 계속 thread library가 최적의 성능을 지원하도록 동적으로 LWP의 수 조절 실행 가능 LWP 한 개 남으면 새 LWP 생성 일정 기간(예, 5분) 사용되지 않은 LWP 삭제 참조 Solaris 2.x : System Administrator’s Guide, Threads Primer: A Guide to Multithreaded Programming, Bil Lewis, Daniel J.Berg, Prentice Hall, 1996. 2000 운영체제

Solaris 2 Threads 2000 운영체제

Solaris Process (PCB) 2000 운영체제

Java Threads ~ Thread 지원 방법 Kernel(OS) 지원 Library 지원 thread Win32 library multithreading APIs: Windows 시스템 pthread: POSIX 호환 시스템 Language 지원: Java 뿐 main(): a single thread 다른 thread들 생성, 관리하는 명령 지원 Thread 생성 Thread class로부터 새 class 유도하고 run() 재정의:그림 5.7 참조 start()가 (1) 메모리 할당하고 새 thread 초기화, (2) run() 실행 절대로 직접 run()호출하지 말고 start()를 호출할 것! (초기화 때문) Runnable interface를 구현하는 class를 정의하고 새 Thread 객체 생성 (그림 5.8 참조) 주로 class가 이미 유도된 경우 이용 (예) public class ThreadedApplet extends Applet implements Runnable { … } Java는 multiple inheritance 불가 2000 운영체제

Thread class 확장으로 thread 생성 class Worker1 extends Thread { public void run() { System.out.println(“I am a Worker Thread”); } public class First public static void main(String args[]) { Worker runner = new Worker1(); runner.start(); System.out.println(“I am the main thread”); 2000 운영체제

Runnable interface를 구현하여 thread 생성 public interface Runnable { public abstract void run(); } class Worker2 implements Runnable public void run() { System.out.println(“I am a Worker Thread”); public class Second public static void main(String args[]) { Runnable runner = new Worker2(); Thread thrd = new Thread(runner); thrd.start(); System.out.println(“I am the main thread”); 2000 운영체제

Java Threads ~ Thread 관리 Java의 thread 관리 APIs suspend() sleep() resume() stop() multithreading 예: applet 일반적으로 graphics, animation, audio 등 처리 처음 applet 실행될 때 start(), display 않는 동안 stop() 그림 5.9 ClockApplet 참조 Thread 상태 New: new 문으로 thread 객체 생성 Runnable: start() 호출로 메모리 할당하고 run() 호출한 상태 Blocked: I/O, sleep(), suspend()로 block된 상태 Dead: stop() 호출된 상태 2000 운영체제

날짜와 시간 출력하는 ClockApplet import java.applet.* ; import java.awt.* ; public void ClockApplet extends Applet implements Runnable { public void run() { while(true) { try { thread.sleep(1000); } catch(InterruptedException e) { } repaint(); public void start() { if(clockThread == null) { clockThread = new Thread(this); clockThread.start() ; } else clockThread.resume(); public void stop() { if(clockThread ! = null) clockThread.suspend() ; } public void destroy() { if(clockThread != null) { clockThread.stop() ; clokcThread = null ; public void paint(Graphics g) { g.drawString(new java.util.Date().toString(), 10, 30) ; private Thread clockThread ; 2000 운영체제

Java Threads Thread와 JVM JVM의 system-level threads garbage-collector thread timer events handling thread: sleep() graphics control thread: 버튼 입력, 스크린 갱신 JVM과 호스트 OS Java threads = user threads JVM이 Java threads 관리 Windows NT: one-to-one model Solaris 2.1~2.5: many-to-one model Solaris 2.6~: many-to-many model Multithreaded 해법 예제: Mailbox를 이용하는 생산자-소비자 문제 그림 5.11 The class server 참조 그림 5.12 Producer thread 참조 그림 5.13 Consumer thread 참조 2000 운영체제

Java Thread States 2000 운영체제

Producer Consumer Problem public class Server { public Server() { MessageQueue mailBox = new MessageQueue(); Producer producerThread = new Producer(mailBox); Consumer consumerThread = new Consumer(mailBox); producerThread.start(); consumerThread.start(); } public static void main(String args[]) { Server server = new Server(); public static final int NAP_TIME= 5; 2000 운영체제

Producer Thread class Producer extends Thread { public Producer(MessageQueue m) { mbox = m; } public void run() { Date message ; while (true) { int sleeptime = (int) (Server.NAP_TIME * Math.random()); System.out.println(“Producer sleeping for “ +sleeptime+ “seconds”); try { Thread.sleep(sleeptime*1000); } catch(InterruptedException e) { } //Produce an item and enter //it into the buffer message = new Date(); System.out.println(“Producer produced “ + message); mbox.send(message); } private MessageQueue mbox; 2000 운영체제

Consumer Thread class Consumer extends Thread { public Consumer(MessageQueue m) { mbox = m; } public void run() { Date message ; while (true) { int sleeptime = (int) (Server.NAP_TIME * Math.random()); System.out.println(“Consumer sleeping for “ +sleeptime+ “seconds”); try { Thread.sleep(sleeptime*1000); } catch(InterruptedException e) { } //consume an item for the buffer message = (Date)mbox.receive() ; if(message != null) System.out.println(“Consumer consumed “ +message); } private MessageQueue mbox; 2000 운영체제