[운영체제] 스레드란?

**스레드(Thread)**는 프로세스 내에서 실행되는 가장 작은 실행 단위입니다. 스레드는 프로세스의 자원을 공유하며, 독립적으로 실행되는 코드의 흐름을 나타냅니다. 하나의 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있으며, 각 스레드는 독립적인 실행 흐름을 가집니다. 여러 스레드가 동시에 실행되는 방식을 **멀티스레딩(Multi-threading)**이라고 합니다.

1. 스레드의 기본 개념

• 프로세스와 스레드의 관계:
  • 프로세스는 자원을 독립적으로 가진 실행 단위로, 각 프로세스는 자신만의 메모리 공간, 코드, 데이터 등을 가집니다.
  • 스레드는 하나의 프로세스 내에서 실행되는 코드의 흐름으로, 같은 프로세스 내의 다른 스레드들과 메모리와 자원을 공유합니다.
  • 스레드 간의 자원 공유는 메모리 공간, 파일 디스크립터, I/O 자원 등을 포함하므로, 스레드 간에 데이터 교환이 더 빠르고 효율적일 수 있습니다.

2. 스레드의 구성 요소

• 프로그램 카운터(Program Counter, PC): 스레드가 실행 중인 명령어의 주소를 저장합니다.
• 레지스터(Register): 스레드가 사용하는 CPU 레지스터 값들을 저장합니다.
• 스택(Stack): 함수 호출, 로컬 변수, 반환 주소 등을 저장하는 메모리 공간입니다.
• 스레드 상태: 스레드가 현재 어떤 상태에 있는지에 대한 정보(실행 중, 대기 중, 종료 등).

3. 스레드의 생성

• 스레드는 프로세스 내에서 생성됩니다. 한 프로세스는 하나 이상의 스레드를 가질 수 있으며, 스레드를 추가함으로써 병렬 처리가 가능합니다.
• 스레드 생성은 보통 운영 체제의 시스템 호출이나 라이브러리 함수(예: pthread_create() 등)를 통해 이루어집니다.

4. 스레드의 상태

스레드는 여러 가지 상태를 가질 수 있습니다. 대표적인 상태는 다음과 같습니다:

• 실행 중(Running): 스레드가 CPU에서 실행되고 있는 상태.
• 준비 상태(Ready): 실행될 준비가 완료된 상태. CPU 할당을 기다리고 있습니다.
• 대기 상태(Waiting): 입출력 작업이나 다른 이벤트를 기다리는 상태.
• 종료 상태(Terminated): 실행이 완료되어 종료된 상태.

5. 멀티스레딩(Multi-threading)

• 멀티스레딩은 하나의 프로세스 내에서 여러 스레드를 동시에 실행하는 기술입니다. 멀티스레딩을 사용하면, CPU 자원을 더 효율적으로 사용할 수 있고, 여러 작업을 병렬로 처리할 수 있습니다.
• **동시성(Concurrency)**과 병렬성(Parallelism):
  • 동시성: 여러 작업이 겹쳐서 실행되는 것처럼 보이는 상태, 하나의 CPU에서 여러 스레드를 번갈아가며 실행하는 방식.
  • 병렬성: 여러 CPU에서 동시에 작업이 실행되는 상태. 각 CPU가 다른 스레드를 동시에 처리합니다.

6. 스레드 간의 자원 공유

• 자원 공유: 같은 프로세스 내의 스레드는 메모리 공간, 파일 디스크립터, 변수, 힙 영역 등을 공유하므로, 데이터를 빠르게 공유할 수 있습니다.
• 스레드 간 통신: 스레드 간에는 공유 메모리, 메시지 큐, 세마포어 등을 사용하여 데이터를 교환하거나 동기화합니다.

7. 스레드와 프로세스의 차이점

• 메모리와 자원의 공유:
  • 프로세스는 독립된 메모리 공간을 가지며, 프로세스 간 통신(IPC)을 통해 데이터를 교환해야 합니다.
  • 스레드는 같은 프로세스 내에서 메모리 공간을 공유하며, 빠르게 데이터를 주고받을 수 있습니다.
• 생성 비용:
  • 프로세스를 생성하는 데는 상당한 비용이 드는데 비해, 스레드는 상대적으로 경량화된 실행 단위로, 생성과 관리 비용이 적습니다.
• 동기화 필요성:
  • 여러 프로세스 간에는 자원 충돌을 방지하기 위해 동기화 기법이 필요하지만, 스레드 간에도 자원 공유로 인한 동기화 문제가 발생할 수 있습니다. 예를 들어, **뮤텍스(Mutex)**나 **세마포어(Semaphore)**를 사용해 스레드 간 동기화를 처리할 수 있습니다.

8. 스레드의 동기화

여러 스레드가 동일한 자원을 동시에 접근할 경우 **경쟁 조건(Race Condition)**이 발생할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 스레드 간 동기화가 필요합니다.

• 뮤텍스(Mutex): 상호 배제를 위해 한 스레드만 자원에 접근할 수 있도록 하는 도구입니다.
• 세마포어(Semaphore): 특정 수의 스레드만 자원에 접근할 수 있도록 제어하는 방식입니다.
• 조건 변수(Condition Variable): 스레드 간의 조건을 설정하고, 해당 조건이 만족될 때까지 기다리도록 하는 방법입니다.

9. 스레드의 장점

• 빠른 자원 공유: 스레드는 동일한 프로세스 내에서 실행되므로, 자원(메모리, 파일 등)을 쉽게 공유하고 통신할 수 있습니다.
• 성능 향상: 멀티코어 프로세서 환경에서 여러 스레드가 병렬로 실행될 수 있어, 작업 처리 속도를 높일 수 있습니다.
• 효율성: 여러 작업을 동시에 처리하면서도, 프로세스보다 더 적은 오버헤드로 자원과 스케줄링을 관리할 수 있습니다.

10. 스레드의 단점

• 동기화의 어려움: 여러 스레드가 동일한 자원을 수정할 때, 동기화가 잘못되면 경쟁 조건이나 데이터 손상이 발생할 수 있습니다.
• 디버깅의 어려움: 여러 스레드가 동시에 실행되므로, 디버깅이 어려워질 수 있습니다. 스레드 간의 순서나 실행 타이밍에 따라 프로그램의 동작이 달라질 수 있습니다.

11. 스레드 예시

• 웹 서버: 요청을 동시에 처리하기 위해 각 요청을 별도의 스레드에서 처리합니다.
• 게임: 게임 내에서 여러 요소(캐릭터 움직임, 배경 업데이트 등)를 각각 다른 스레드로 처리하여 성능을 향상시킬 수 있습니다.
• 파일 다운로드: 여러 파일을 동시에 다운로드할 때 각 다운로드 작업을 별도의 스레드로 처리하여 속도를 높일 수 있습니다.

12. 결론

스레드는 경량화된 프로세스로, 같은 프로세스 내에서 자원을 공유하며 독립적인 실행 흐름을 가집니다. 멀티스레딩을 활용하면 동시성과 병렬성을 극대화할 수 있으며, 여러 작업을 동시에 처리하는 데 유리합니다. 다만, 스레드 간 자원 공유와 동기화 문제를 잘 관리해야 합니다.