[01주차A] 멀티쓰레드 프로그래밍 소개

 

한국공학대학교 게임공학부 정내훈 교수님 수업 내용입니다

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멀티쓰레드 프로그래밍에서 OS의 역할은 거의 없고 CPU에 달림

 

- Single Core Computer vs Parallel Computer

: 싱글코어 컴퓨터는 현재 멸종, 병렬 컴퓨터가 우리가 주로 사용하는 컴퓨터.

: 하나의 작업을 보다 빨리 실행하기 위해 사용하게 되었음

: 기존 프로그램을 병렬 컴퓨터에서 실행했을 때 속도 증가는 0, 프로그램을 만들 때부터 병렬 프로그래밍 필요

: 지금까지 배운 자료구조/알고리즘은 전부 직렬 컴퓨터를 가정하고 있어 문제. 코어 개수가 늘어나도 성능 향상이 일어나지 않아...

 

 

 

- 병렬 프로그램

: 프로세스의 내부 여러 흐름(process)에서 동시 실행됨, 프로그램 하나에서 여러 작업을 수행하는 것

: Context 사이 Synchronization(동기화) 필수

: 공유메모리(Shared Memory) 모델과 메시지 패싱(Message Passing) 모델 有

 

 

 

- Process Context

: Process is a Program execution -> 프로세스는 실행 중인 프로그램을 의미

: Context -> 프로세스가 현재 어떤 상태에서 수행되고 있는지 정확히 규명하기 위해 필요한 정보

: 현재 운영체제는 여러 프로세스가 함께 수행되는 시분할 시스템 환경임

: 프로세스 문맥(Process Context) -> 이전에 어디까지 명령을 수행했는지와 정확한 수행시점과 상태를 재현할 수 있는 정보

 

 

 

- Process Synchronization (프로세스 동기화)

: 프로세스의 실행 순서를 제어하고 동시에 접근할 수 없는 자원에 하나의 프로세스만을 접근하게 해 데이터의 일관성을 유지

 

 

 

- IPC (Inter Process Communication)

: https://plas.tistory.com/148

: 우리가 수업 때 다룰 것은 공유 메모리 !

 

 

 

- 병렬 프로그램 요구 사항

: 정확성 ! 성능 !

: 여러 context에서 동시 다발적으로 호출해도 문제 x

: context 증가에 따른 성능 향상 또한 고려 사항

: CPU가 느리기에 멀티코어를 사용하는 것임으로 멀티코어를 써서 싱글보다 느려지면 안됨

 

 

 

- Process

: 운영체제는 사용자의 프로그램을 프로세스 단위로 관리함

: 실행 파일 실행 = OS가 파일 내용을 메모리에 올려 시작 주소로 점프하는 것

: 시분할 운영체제 -> 여러 프로세스를 고속으로 번갈아가며 실행하는 것 (강제로 ready 상태로 변경 가능)

 

 

 

- 프로세스의 메모리 구조

 

Stack : 지역변수, 매개변수, 리턴값 등 잠시 사용되었다가 사라지는 데이터, 함수 호출 시 할당 - 함수 반환 시 소멸 (컴파일 타임)

Heap : 동적 데이터 영역, 메모리 주소 값에 의해 참조되고 사용됨, 따라 프로그램 동작 시에 크기가 결정 (런타임)

Data : 전역변수와 정적 변수 저장, 프로그램 시작 시 할당, 종료 시 소멸 / BSS (Read-Write)

Code : 실행할 프로그램의 코드 저장, CPU가 이 영역에서 명령어를 하나씩 가져와 처리 (컴파일 타임에 결정, Read-Only)

 

* 런타임 - 컴파일 타임(기계어코드로 변환 되어 실행 가능한 프로그램이 되는 과정), 런타임(응용프로그램이 동작될 때)

컴파일타임 오류 유형 -> 신택스 오류, 타입체크 오류, 런타임 오류 유형 -> 0나누기 오류, 널참조 오류, 메모리 부족 오류

 

 

 

- 프로세스 생성 - 부모 프로세스와 자식 프로세스

: 부모 프로세스 -> 다른 프로세스를 생성하는 프로세스

: 자식 프로세스 -> 자식 프로세스는 다른 프로세스에 의하여 생성된 프로세스, 부모 프로세스의 메모리 공간과 자원에 접근 가능하며, 부모 프로세스와 통신 가능함. 자식 프로세스는 부모 프로세스와는 독립적으로 실행됨

 

정내훈 교수님 수업 자료

 

 

- 프로세스와 쓰레드

정내훈 교수님 자료

기존 가상 공간에 공유 영역은 고정, 쓰레드를 생성한다 해서 변하지 않고 그대로되, stack만 새로 생겨 돌아간다 

: 프로세스 -> 초기에 하나의 시작 쓰레드를 가짐

: 쓰레드는 다른 쓰레드를 만들 수 있으며 쓰레드 생성은 사용자가 지시함

: 모든 쓰레드는 자신 고유의 스택을 가지고 있고, Data와 Code, Heap을 공유함

: 쓰레드는 CPU에서 하드웨어적으로 관리됨 (x86)

 

 

 

- 멀티 쓰레드의 메모리 공유

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;

int a;
void func()
{
	for (int i = 0; i < 10; ++i) {
		a = a + i; 
		cout << " a = " << a << ", i = " << i << endl;
	}

}
int main()
{
	thread child1(func);
	thread child2(func);
	func();
}

 

결과값

 

아래의 그림에서 멀티쓰레드 구현 시 스택이 여러개 만들어지면서 (local에 변수를 많이 두면서) 충돌 가능성이 높아짐. 예전엔 큰 문제였으나 최근 64비트로 늘어나며 사소한 문제로 변화.

 

a의 값은 모든 쓰레드가 공유하나 i의 값은 동시에 실행되는 모든 쓰레드에서 다른 값이 나옴

가상메모리

 

 

- 쓰레드의 장단점

(면접) 병렬 처리를 해야하는데 멀티쓰레드가 멀티프로세스보다 뭐가 더 좋은가?

- 장점 : 생성 Overhead가 적다, Context Switch Overhead가 적다(Virtual memory), 쓰레드 간의 통신이 간단하다(메모리를 읽고 쓰는 것으로 끝남, 프로세스 통신은 운영체제에게 요청을 해야해서 복잡하다 볼 수 있음)

- 단점 : 하나의 쓰레드에서 발생한 문제가 전체 프로세스를 멈추게 한다(단점이라 볼 수 없고), 디버깅이 어렵다(이게 단점!)

 

 

 

- 멀티 쓰레드 사용 목적

: 멀티 코어 CPU(한 개 이상의 코어로 구성된 CPU)에서의 프로그램 성능 향상

: 멀티 CPU 컴퓨터에서의 프로그램 성능 향상

: 병렬 컴퓨터에서의 프로그램 성능 향상

( 분산 컴퓨터, 싱글 코어, 프로그램을 모듈화해서 알아보기 쉽게? -> X )

 

 

 

- 멀티코어프로세서

: 클럭 속도 발전에는 발열이라는 한계 존재.. 그러면?

: 코어 (ALU + Register + CU + Cache) -> CPU랑 똑같음

: 멀티코어 CPU -> 하나의 칩에 여러 개의 프로세서를 같이 넣은 것

: 프로그래밍할 때 전혀 다른 알고리즘들을 사용해야 함 -> 디버깅 난이도 UP