2000 운영체제 인천대학교 컴퓨터공학과 성미영 5.1

• 경량 프로세스 (LWP; lightweight process) = 스레드» CPU 를 이용하는 기본 단위» thread ID, PC, 레지스터 세트 , 스택 영역을 가짐» 스레드들은 서로 같은 프로세스의 code section, data section, OS resources-open

files, signals 를 공유 ( 그림 5.1)» ( 예 1) web browser

• image 와 text 를 display 하는 thread• network 에서 데이터를 가져오는 thread

» ( 예 2) word processor• graphics 를 display 하는 thread• keystrokes 를 읽어오는 thread• spelling 과 grammar 를 검사하는 thread

• 중량 프로세스 (heavyweight process) = 1 thread 를 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

)

5 장 스레드 (Threads)

스레드 (Threads) 개요 ~스레드 (Threads) 개요 ~

• 프로세스 = 자원 + PC• 스레드 : 새 PC (a thread of control) 로 같은 address space 를 실행하는 fork 와

유사

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Single and Multithreaded Processes

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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» CPU 공유» 준비 , 수행 , 대기상태» 자식 thread 생성» block

• ( 예 1) 웹 서버 구현» a single process : client 의 대기시간이 매우 기어짐» multiple process : client 의 요청이 올 때마다 새 process 생성 , overhead» multithreaded single process : 서버는 thread 생성하여 client 의 요청

기다리다 요청이 오면 새 thread 생성하여 서비스 , 효율적

• ( 예 2) 생산자 소비자 문제» 2 threads 로 구현하면 좋음 (better if on 2 processors)

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스레드 (Threads) 개요

• Java 의 thread 이용» Java 에는 비동기적 동작 (asynchronous behavior) 없음» ( 예 ) Java 로 telnet 구현

• telnet 하는 클라이언트는 서버와 연결되거나 timeout 될 때까지 block 되어야 함

• timeout 은 asynchronous event• Java 로 구현하려면 2 개 thread 생성

» telnet thread: 계속 서버에 연결 시도» timer thread: timeout 시간동안 wait 하다 깨어나 telnet thread

가 아직도 연결 시도 중이면 interrupt 발생하여 중지시킴

• Thread 의 장점» 빠른 응답 (responsiveness)» 자원 공유 (resource sharing)» 경제적 (economy)» 다중 프로세서 구조 이용 (utilization of multiprocessor architecture)

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• 사용자 스레드 (user threads) : Posix Pthreads, Mach C-threads, Solaris Threads» user level 의 thread library 로 구현 : 라이브러리가 thread 생성 , 스케줄링 ,

관리 담당» 불공평한 스케줄링 (unfair scheduling)» 스위칭이 빠름 (switching is fast)» single thread 인 kernel 에서 사용자 수준 스레드가 blocking system call 을

수행할 경우 system call 완료까지 다른 모든 스레드들은 대기해야 함• 커널 스레드 (kernel threads) : Windows NT, Solaris, Digital Unix

» 커널이 thread 생성 , 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

사용자 스레드와 커널 스레드 (User and kernel Threads)

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다중 스레드 모델 (Multithreading Models)

• Many-to-One Model : 초기 Solaris

» 다수의 user-level thread 가 하나의 kernel thread 로 매핑» 한 thread 가 blocking system call 하면 전체 프로세스 block

• One-to-One Model : Windows NT, OS/2

» 각 user-level thread 가 하나의 a kernel thread 로 매핑» 한 thread 가 blocking system call 해도 다른 thread 실행 가능» User thread 생성마다 kernel thread 생성해야 함» 동시성이 좋음 (more concurrency): multiprocessors 에서 병렬 처리

(parallel processing) 가능

• Many-to-Many Model : Solaris 2.6, IRIX, Digital Unix

» 다수의 user-level thread 들이 더 적거나 같은 수의 kernel threads들로 매핑 (multiplexed)

» 동시성이 덜 좋음 (less concurrency): 커널은 한 순간에 하나의 kernel thread 만 스케줄

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Many-to-one Model

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One-to-one Model

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Many-to-many Model

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Solaris 2 Threads ~

• 솔라리스 (Solaris) 2.x• SunOS Release 4.x - Solaris 1.x• SunOS Release 5.x - Solaris 2.x

• Solaris 2 의 지원 기능» kernel 수준과 user 수준에서 스레드 지원» symmetric multiprocessing( 대칭적 다중 프로세싱 )

• 각 process 가 OS 가짐 Master-slave 의 반대» real-time scheduling( 실시간 스케줄링 )

• 스레드들 : LWP(Light Weight Processes) = a virtual CPU» user-level (thread API 들의 library)

• thread ID, register set(PC, stack pointer), stack, 우선순위• switching(linking with thread) 이 빠르다 . 문맥 교환 없음• 종류

» bound: LWP 에 영원히 연결됨 , quick response 가능» unbound: LWP 풀에 multiplexed

» intermediate-level = LWP• kernel 자료구조 , user level thread 의 register set, 메모리와 계정정보• 비교적 느리다 .

» kernel-level(CPU 스케줄링 대상 )• 약간의 자료구조 : stack, kernel registers, LWP pointer, 우선순위 , 스케줄링 정보• switching 이 비교적 빠르다 .

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Solaris 2 Threads

» 그림 5.5 Solaris 2 의 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 5 개 화일 읽기 -> 5 LWP 필요 • 각 화일 읽기는 Kernel 안에서 I/O 완료를 기다려야 함

» Solaris 2 에서• 한 task 는 한 I/O 완료를 기다리는 동안 block 될 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 library 가 최적의 성능을 지원하도록 동적으로 LWP 의 수 조절» 실행 가능 LWP 한 개 남으면 새 LWP 생성» 일정 기간 ( 예 , 5 분 ) 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.

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Solaris 2 Threads

2000 운영체제 인천대학교 컴퓨터공학과 성미영 5.13

Solaris Process (PCB)

2000 운영체제 인천대학교 컴퓨터공학과 성미영 5.14

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 thread 들 생성 , 관리하는 명령 지원

• Thread 생성① Thread class 로부터 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 interface 를 구현하는 class 를 정의하고 새 Thread 객체 생성 (그림 5.8 참조 )

• 주로 class 가 이미 유도된 경우 이용 ( 예 ) public class ThreadedApplet extends Applet implements

Runnable { … }• Java 는 multiple inheritance 불가

2000 운영체제 인천대학교 컴퓨터공학과 성미영 5.15

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 인천대학교 컴퓨터공학과 성미영 5.16

Runnable interface 를 구현하여 thread 생성public 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”);}

}

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Java Threads ~

• Thread 관리» Java 의 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 block 된 상태» Dead: stop() 호출된 상태

2000 운영체제 인천대학교 컴퓨터공학과 성미영 5.18

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 ;}

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Java Threads

• Thread 와 JVM» JVM 의 system-level threads

• garbage-collector thread• timer events handling thread: sleep()• graphics control thread: 버튼 입력 , 스크린 갱신

• JVM 과 호스트 OS» Java threads = user threads» JVM 이 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 : Mailbox 를 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 인천대학교 컴퓨터공학과 성미영 5.20

Java Thread States

2000 운영체제 인천대학교 컴퓨터공학과 성미영 5.21

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 인천대학교 컴퓨터공학과 성미영 5.22

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;

}

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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;

}