[WINDOWS] 스레드

스레드가 가지고 있는 정보들

• CPU레지스터 정보(=컨텍스트)
• 현재 모드
• 스택
• 개인 저장 영역
• 임의의 보안 토큰
• 메시지 큐
  • 메시지 큐를 이용해 윈도우나 스레드를 생성하고 관리할 수 잇다.
• 스레드 우선순위
• 스레드 상태 정보

 

스레드 관련 API

• 스레드 생성
  • CreateThread
• 스레드 일시중지 / 재개
  • SuspendThread
  • ResumeThread
• 스레드 종료
  • ExitThread
  • Terminate Thread

1.스레드 스택

스레드는 2개의 스택을 가지고 있다.

• 커널모드에서 사용하는 물리메모리 스택
  • 32비트에서는 12kb, 64비트에서는 24kb
• 유저모드에서 사용하는 스택
  • 기본 1mb로 예약되고 공간이 더필요할 때 4kb씩 증가되어 커밋되며, 기본크기는 64kb로 생김
  • linker를 이용하여 기본 크기 지정 가능
  • CreateThread함수나 CreateRemoteThread함수를 이용하여 크기 조절 가능 

2. 스레드 우선순위

• 우선순위 레벨은 0~31까지 존재
  • 우선순위 숫자가 높을 수록 빠른 처리가 필요한 스레드이다.
  • 가장 낮은 우선순위인 0번은 ZeroPage Thread라는 프로세스가 사용하여 프로세스에서 더이상 사용하지 않는 메모리를 해제해준다.
• 자신이 속한 프로세스 우선순위에 따라 스레드 우선순위가 결정되며 내부에서도 우선순위가 결정된다
  • 물론 API로 우선순위를 변경할 수 있다. (SetThreadPriority)
  • 시스템 권한이 충분하지 않은 경우 우선순위는 15이상을 넘어갈 수 없다.

 

3. 클럭과 퀀텀

• 프로세서를 사용할 대는 Clacks을 기준으로 삼는데 만약 한번 처리하고 다른 스레드로 변경하게 된다면 Context Switching을 진행해야한다
  • Context Switching : 스레드가 이전에 사용하던 프로세서에서 처리완료하지 못하고 다른 스레드로 변경되어야 할 때, 처리를 재개하기 위해 프로세서에서 처리하던 정보를 저장해둔 데이터
• 매 클럭마다 컨텍스트 스위칭을 진행하게 된다면 cpu는 스레드에서 처리하는 작업보다 스레드 변경을 위해 컨텍스트를 저장하는 작업이 더 많아질 것이다. 그래서 Quantum을 이용하여 클럭을 알맞은 횟수만큼 하나의 스레드가 사용할 수 있도록 한다
• 퀀텀 1 = 클럭 1 : 퀀텀이 1이라면 1 클럭동안 실행이 가능하며 , 자신의 퀀텀 값이 0이되면 컨텍스트 스위칭이 일어난다.
• OS마다 기본적인 쿼넘 값이 다르게 설정되어 있다.
• 퀀텀 값은 레지스트리에서 변경이 가능하다.

 

4. 스레드 스케줄링

• 커널모드에서 스케줄러를 이용하여 실행해야 할 스레드들을 큐를 이용해 관리
• 기본적으로 스레드 우선순위에 따라 관리되고 상황에 따라 먼저 처리해야 하는 경우 디스패처를 통해 점유하여 CPU를 선점해 사용하게된다.

스레드 상태 정보

1. 준비(Ready) : 실행할 준비가 된 상태, CreateThread를 호출하면 바로 준비상태가 되어 스레드 생성을 우선적으로 처리
2. 실행(Running) : 스레드가 CPU를 할당받아 실행중인 상태. 퀀텀을 다 쓰거나 , 처리할 작업을 완료했거나 , 스레드가 자발적으로 전환했을 때 CPU가 실행을 멈추고 상태를 바꾼다.
3. 실행 대기(Standby) : CPU할당 받았지만 아직 대기 중인 상태, 이러한 스레드는 CPU내 프로세서 당 하나만 존재하며 컨텍스트 스위칭을 통해 실행 상태로 바뀜
4. 종료(Terminated) : 스레드의 모든 작업을 완료했거나 ExitThread 함수를 호출했을 때 종료 상태로 변경됨. 해당 스레드가 참조하는 핸들을 모두 닫고 스레드 소멸
5. 대기(Waiting) : 실행중인 스레드가 Sleep과 같은 대기 함수를 만나 자발적으로 전환되어 스스로 대기 상태가 됨. 조건에 만족하거나 시간이 만료되면 준비상태로 전환됨
6. 전이(Transition) : 대기 상태에서 간혹 물리적 메모리를 사용하지 않아 물리메모리를 할당하여야 하는 상태. 전이 상태에서 가상메모리로 페이징된 메모리가 물리 메모리에 올라오게 되면 대기상태가 된다.
7. 지연 실행 대기 (Deferred Ready) : 프로세서 할당은 받았지만 아직 스케줄링이 되지 않은 상태. 비스타 이후 추가된 상태

스레드 스케줄링을 조정하는 경우

1. 스레드가 퀀텀을 다 사용했을 때
2. 입출력이 완료되었을 때
3. 스레드 우선순위가 변경되었을 때
4. 대기상태로 객체나 스레드가 변경되었을 때
5. Sleep을 호출했을때

5. 스레드 동기화

• 스레드들이 서로 사용할 수 있는지를 확인하기 위해 상태 벙보를 주고 받는 것
• 이러한 이벤트 및 스레드 동기화하는 객체들을 디스패처에서 관리하기 때문에 디스패처 객체라고 한다

 

디스패처

• 커널에 존재하는 객체들 중 상태 정보를 통해 관리되는 객체들을 관리함
• 상태 신호라고 하는 시그널을 확인하며 현재의 처리흐름을 변경하거나 예외처리등의 작업을 수행
  • 시그널 상태는 True/False가 있으며 True는 대기해야한다는 의미임
• 디스패처 객체 형식 
  • 프로세스
  • 스레드 
  • 이벤트
  • 뮤텍스
  • 세마포어
  • 타이머
  • 파일

 

뮤텍스

• 커널모드에서 관리
• 코드에서 접근하는 객체는 뮤텍스가 접근가능한 상태에서만 사용이 가능하다.

뮤텍스의 특징

• 상호 배제를 기본으로 한다(객체를 동시에 사용할 수 없다)
• 하나의 스레드를 임계 구역을 사용하여 다른 객체가 해당 객체에 접근하지 못하도록 보호
• 자신이 처리해야할 작업을 완료하면 임계구역을 나오게 되고 뮤텍스가 사용가능한 상태로 할당을 해제한다.
  • 이 상태가 되면 대기하던 객체가 임계구역으로 진입하게 되며 그 객체가 뮤텍스를 할당받는다
• Auto-Reset형태로 자원의 사용이 가능하면 자동으로 non signal상태가 된다.

 

세마포어

• 뮤텍스처럼 하나에게만 자원을 할당하지 않고 , 가능한 제한수를 설정하여 여러 객체에게 자원을 할당할 수 있다.
• 세마포어 최댓값이 1이라면 뮤텍스처럼 사용가능하다.

 

세마포어의 특징

• 리소스의 상태를 나타내는 카운터를 통해 관리
• 자원을 할당받게 되면 세마포어 카운터를 감소시켜 값을 낮춘다
• 세마포어 값이 0인 상태가 되면 자원을 할당받을 수 없게 되고 사용할 수 있을 때 까지 대기상태가 된다
• 자원 사용이 끝나면 세마포어 카운터를 증가시켜 대기 중인 상태로 사용할 수 있도록한다.
• Auto-Reset형태로 자원이 사용가능하면 자동으로 Non-signal 상태가 된다

이벤트

• 여러개의 스레드를 동시에 제어할 때 유용
• CreateEvent로 생성 가능
• 이벤트 발생 : SetEvent 
• 이벤트 초기화(?) : ResetEvent

 

이벤트의 특징

• Bool변수를 통해 관리됨
• 이벤트 생성은 Manual-Reset모드와 Auto-Reset모드로 생성 가능함
• Manual-Reset의 경우 여러 스레드의 상태를 동시에 변경할 수 있으나 Auto-Reset은 하나만 가능

 

임계 영역(Critical Section)

• 뮤텍스와 비슷하지만 유저모드에서만 동작하기 때문에 프로세스 간 동기화에는 사용 불가능

 

임계 영역의 특징

• 일반적으로 뮤텍스를 통해 사용 가능
• 하나의 프로세스 내에서 스레드 간 동기화 하는데 사용
• 뮤텍스보다 가볍다
• CRITICAL_SECTION이라는 구조체를 이용해 관리

병렬 처리

• 기존에는 병렬처리를 위해 join & fork를 이용해 코드 작성
• c++ 11부터 Parallel Patterns Library(PPL) 제공
  • 보통 앞에 parallel_로 시작한다 ex) for문을 병렬으로 실행하려면 parallel_for