커널 레벨 스레드 vs 사용자 레벨 스레드: 멀티스레딩 구현 방식 (19)

커널 레벨 스레드 vs 사용자 레벨 스레드: 멀티스레딩 구현 방식

이전 글에서는 스레드의 컨텍스트 스위칭과 간단한 멀티스레드 프로그래밍 예제를 살펴보았습니다. 이번에는 스레드의 구현 방식에 따른 분류, 즉 커널 레벨 스레드와 사용자 레벨 스레드의 차이점과 각 방식의 장단점을 알아보겠습니다.

 

스레드 구현 방식의 분류

스레드는 구현 방식에 따라 크게 두 가지로 분류됩니다:

1. 커널 레벨 스레드(Kernel-Level Threads, KLT): 커널이 직접 관리하는 스레드
2. 사용자 레벨 스레드(User-Level Threads, ULT): 사용자 공간의 라이브러리가 관리하는 스레드

각 방식은 서로 다른 특성과 장단점을 가지고 있으며, 이를 조합한 하이브리드 방식도 존재합니다.

커널 레벨 스레드(KLT)

커널 레벨 스레드는 운영체제 커널이 직접 생성하고 관리하는 스레드입니다.

특징

• 커널이 TCB(Thread Control Block)를 생성하고 관리
• 커널이 직접 스레드를 스케줄링
• 스레드 관련 시스템 호출이 커널에 의해 직접 처리됨
• 하나의 프로세스에 여러 개의 커널 스레드가 1:1로 매핑됨(1:1 모델)

장점

1. 진정한 병렬 실행: 멀티프로세서 시스템에서 여러 스레드가 동시에 실행 가능
2. 커널 서비스 활용: 스레드가 독립적으로 시스템 호출 가능
3. 안정성: 한 스레드가 블록되더라도 다른 스레드는 실행 가능

단점

1. 생성 및 관리 오버헤드: 사용자 레벨 스레드보다 생성과 컨텍스트 스위칭 비용이 큼
2. 확장성 제한: 시스템 자원 제약으로 생성 가능한 스레드 수에 제한이 있음
3. 이식성 부족: 운영체제마다 스레드 관련 시스템 호출이 다를 수 있음

사용자 레벨 스레드(ULT)

사용자 레벨 스레드는 커널 위에서 동작하는 스레드 라이브러리에 의해 관리되는 스레드입니다.

특징

• 사용자 공간의 스레드 라이브러리가 스레드를 생성하고 관리
• 커널은 이러한 스레드의 존재를 모름(하나의 커널 스레드에 여러 사용자 스레드가 매핑됨, N:1 모델)
• 스레드 관련 작업이 모두 사용자 공간에서 처리됨

장점

1. 빠른 생성 및 관리: 커널 개입 없이 사용자 공간에서 처리되므로 더 빠름
2. 더 많은 스레드 생성 가능: 시스템 자원 제약이 적어 더 많은 스레드 생성 가능
3. 높은 이식성: 커널에 의존하지 않아 다양한 운영체제에서 동일하게 동작 가능

단점

1. 진정한 병렬 실행 불가: 하나의 커널 스레드에 매핑되어 있어 여러 CPU를 활용할 수 없음
2. 한 스레드의 블로킹이 전체 스레드 블로킹: 하나의 스레드가 블로킹 시스템 호출을 실행하면 모든 스레드가 블록됨
3. 커널 최적화 부재: 커널이 스레드를 인식하지 못해 스케줄링 최적화가 어려움

멀티스레딩 구현 모델

스레드 구현 방식은 크게 세 가지 모델로 분류할 수 있습니다:

1. 다대일 모델(Many-to-One)

여러 개의 사용자 레벨 스레드가 하나의 커널 스레드에 매핑되는 모델입니다.

• 특징:
  • 모든 스레드 관리가 사용자 공간의 스레드 라이브러리에서 수행됨
  • 커널은 단일 스레드 프로세스로만 인식함
• 장점:
  • 스레드 관리 효율적(커널 개입 없음)
  • 스레드 전환이 빠름
  • 운영체제와 독립적으로 동작 가능
• 단점:
  • 한 스레드가 시스템 호출로 블록되면 모든 스레드가 블록됨
  • 멀티프로세서를 활용한 병렬 실행 불가능
  • 커널의 스케줄링 최적화 혜택을 받지 못함

2. 일대일 모델(One-to-One)

각 사용자 레벨 스레드가 하나의 커널 스레드에 매핑되는 모델입니다.

• 특징:
  • 각 사용자 스레드마다 별도의 커널 스레드 생성
  • 커널이 직접 모든 스레드를 스케줄링
• 장점:
  • 멀티프로세서를 활용한 진정한 병렬 실행 가능
  • 한 스레드가 블록되어도 다른 스레드는 계속 실행 가능
  • 커널의 스케줄링 최적화 활용 가능
• 단점:
  • 스레드 생성 및 관리에 더 많은 오버헤드 발생
  • 생성 가능한 스레드 수에 제한이 있을 수 있음

3. 다대다 모델(Many-to-Many)

여러 개의 사용자 레벨 스레드가 여러 개의 커널 스레드에 매핑되는 모델입니다.

• 특징:
  • 사용자 스레드와 커널 스레드의 수가 다를 수 있음
  • 스레드 라이브러리가 사용자 스레드를 가용한 커널 스레드에 동적으로 할당
• 장점:
  • 다대일 모델과 일대일 모델의 장점을 결합
  • 멀티프로세서 활용 가능
  • 스레드 생성의 유연성 제공
  • 블로킹 시스템 호출의 영향 최소화
• 단점:
  • 구현 복잡성
  • 스레드 스케줄링 알고리즘이 더 복잡해짐

주요 운영체제의 스레드 구현

주요 운영체제들은 다양한 스레드 구현 방식을 채택하고 있습니다:

• Windows: 일대일 모델 사용, 커널 레벨 스레드 위주
• Linux: 일대일 모델 사용, POSIX 스레드(pthread) 구현
• macOS/iOS: 하이브리드 접근 방식, 주로 일대일 모델 사용
• Java Thread: JVM 위에서 동작하며, 운영체제의 네이티브 스레드와 매핑됨

스레드 라이브러리

응용 프로그램 개발자가 멀티스레드 프로그램을 작성할 때 사용하는 주요 스레드 라이브러리들:

1. POSIX Threads (pthreads): UNIX 계열 시스템에서 널리 사용되는 표준 스레드 API
2. Windows Thread API: Windows 운영체제에서 제공하는 스레드 API
3. Java Thread API: Java 언어에서 제공하는 스레드 API
4. C++ 표준 스레드 라이브러리: C++11부터 표준으로 포함된 스레드 라이브러리

멀티스레딩의 미래

현대 컴퓨팅 환경에서 멀티스레딩은 더욱 중요해지고 있습니다:

1. 멀티코어 프로세서의 보편화: 단일 코어의 성능 향상이 한계에 도달하면서, 프로세서는 코어 수를 늘리는 방향으로 발전하고 있습니다. 이에 따라 멀티스레딩을 통한 병렬 처리의 중요성은 더욱 커지고 있습니다.
2. 비동기 프로그래밍 모델의 발전: 최근의 프로그래밍 언어와 프레임워크들은 멀티스레딩을 좀 더 쉽게 다룰 수 있는 다양한 추상화 모델(async/await, 액터 모델, 리액티브 프로그래밍 등)을 제공하고 있습니다.
3. 하드웨어 가속화: GPU 컴퓨팅, 전용 AI 프로세서 등 특수 목적 하드웨어의 발전으로 병렬 처리의 중요성이 더욱 강조되고 있습니다.

결론

스레드는 현대 운영체제의 핵심 실행 단위로, 효율적인 병렬 처리와 응답성 높은 애플리케이션 개발에 필수적입니다. 커널 레벨 스레드와 사용자 레벨 스레드는 각각의 장단점을 가지고 있으며, 이를 적절히 조합한 다양한 구현 모델이 존재합니다.

멀티스레드 프로그래밍을 효과적으로 수행하기 위해서는 스레드의 기본 개념과 구현 방식, 그리고 운영체제가 스레드를 관리하는 방법에 대한 이해가 필요합니다. 이를 통해 멀티코어 환경에서 최적의 성능을 발휘하는 응용 프로그램을 개발할 수 있을 것입니다.