Transcript 5장 - 성미영 교수님 홈페이지

5장 스레드 (Threads)
•
•
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
5.1
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
Single and Multithreaded Processes
2000 운영체제
5.2
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
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
5.3
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
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
5.4
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
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
5.5
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
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
5.6
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
Many-to-one Model
2000 운영체제
5.7
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
One-to-one Model
2000 운영체제
5.8
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
Many-to-many Model
2000 운영체제
5.9
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
Solaris 2 Threads ~
•
•
•
솔라리스(Solaris) 2.x
• SunOS Release 4.x - Solaris 1.x
• SunOS Release 5.x - Solaris 2.x
Solaris 2의 지원 기능
» 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
5.10
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
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
5.11
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
Solaris 2 Threads
2000 운영체제
5.12
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
Solaris Process (PCB)
2000 운영체제
5.13
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
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
① 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)
② 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
5.14
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
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
5.15
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
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
5.16
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
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
5.17
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
날짜와 시간 출력하는 ClockApplet
public void stop() {
if(clockThread ! = null)
clockThread.suspend() ;
}
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 destroy() {
if(clockThread != null) {
clockThread.stop() ;
clokcThread = null ;
}
}
public void start() {
if(clockThread == null) {
clockThread = new Thread(this);
clockThread.start() ;
} else
clockThread.resume();
}
2000 운영체제
5.18
public void paint(Graphics g) {
g.drawString(new java.util.Date().toString(),
10, 30) ;
}
private Thread clockThread ;
}
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
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
5.19
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
Java Thread States
2000 운영체제
5.20
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
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
5.21
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
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
5.22
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
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
5.23
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영