[멀티 쓰레드] 멀티 쓰레드 프로그래밍

운영체제와 Multi thread programming

멀티쓰레드가 C++언어에 정식 채택된 버전은 C++11이였습니다. (ISO/IEC 14882:2011)

멀티쓰레드는 Windows와 Linux에서의 특징은 다음과 같습니다.

	Windows	Linux
사용방법	WIN32 lib에서 지원되는 API를 사용	pthread API사용(ex. gcc-pthread text.cpp로 사용)
특징	Windows는 Multithread에 특화된 OS	Pthread는 POSIX Thread의 약자입니다.
쓰레드	Process를 구성하는 원소(최초는 1개 시작) OS가 직접 스케쥴링 멀티 Core는 여러 개를 동시 실행	쓰레드라는 개념이 없음(모든 것은 Process) Code, Data를 공유하는 Process를 생성할 수 있다.(타 OS의 Thread와 차이 없음)

C++11의 thread method

C++11 thread class가 지원하는 Method는 다음과 같습니다.

이름	기능
.join()	Thread의 종료까지 기다리는 함수
.joinable()	Thread의 종료를 확인하는 함수
.get_id()	kenel에서 Thread의 id를 가져오는 함수 (고유 ID를 가져온다.)
.detach()	부모 Thread 객체에서 분리하는 함수
.hardware_concurrency()	현재 실행환경의 Core 수를 알려주는 함수
this_thread	Thread의 this를 의미하는 메소드
.this_thread::get_id()	자신의 Thread ID를 반환
.this_thread::sleep_for()	정해진 시간동안 이 Thread의 실행을 멈추는 함수
.this_thread::sleep_untill()	정해진 시간까지 이 Thread의 실행을 멈추는 함수
.this_thread::yield()	다른 Thread에게 실행 시간을 양보 (시점 예측 불가)

Data Race의 개념

하나(공유)의 메모리를 여러 쓰레드에서 읽고 쓰는 순서에 따라서 결과가 달라질 수 있습니다.

단, 여러 쓰레드 중 최소한 하나는 Write를 해야 Data Race가 발생한다.

코어 1개에서 실행하여도 Data Race가 발생할 수 있습니다. 근본적인 문제는 Context switching 시점 으로 코어의 수와 상관없이 연산 중간에 context switching이 발생할 경우 결과값이 달라질 수 있습니다.

1 Core환경에서 실행하기 위해서는 프로그램 실행과 동시에 일시정지(입력을 받는 등의 작업으로 실행정지)하고
’작업관리자’ → ‘자세히’ → ‘해당 프로그램 우클릭’ → ‘선호도 설정’ 에서
Core 1개를 제외한 나머지는 모두 해제합니다. (단 Context switching이 정상인 경우 문제가 없어 보일 수 있음)

코드에 직접 어셈블리 언어를 작성하여도 CPU에서는 명령어를 한 클럭에 실행시키지 않습니다.

interept가 발생해야 Context switch 발생 명령어가 종료되면 interept 발생하므로 만약 Core 1개에서 ’_asm add sum, 2;’ 와 같이 작성할 경우 Data Race는 발생하지 않습니다.

이 문제는 공유 메모리에 여러 쓰레드가 동시에 접근하는 것이 원인 입니다. 따라서 여러 쓰레드가 동시에 접근하는 것을 막아 Data Race를 해결해야 합니다.

MUTual EXclusion

공유 자원 접근 순서에 따라 실행 결과가 달라지는 프로그램 코드 구역을 임계구역(Critical Section) 이라고 합니다. Data Race 해결 방법 중 하나인 상호배제(Mutual Exclusion)는 한 쓰레드가 공유 자원에 접근하였으면 다른 쓰레드는 접근을 막는 것 입니다. (C++11에서) 상호배제 객체로 mutex가 존재하며 lock, unlock을 사용하여 상호배제할 수 있습니다.

Lock and Unlock

Lock을 사용할 경우 한번에 하나의 쓰레드만 실행하고 다른 쓰레드는 Queue에 순서를 저장하고 스핀하며 대기하기 때문에 멀티 쓰레드의 목적인 병렬성과 성능이 저하됩니다.

코드에서의 사용방법은 다음과 같습니다.

mutex g_mutex;
int global_value;

// 생성된 쓰레드에서 사용하는 함수
void Funcion()
{
		// 임계구역의 시작입니다.
		g_mutex.lock();    

		// lock과 unlock 사이 임계구역입니다.
		// 1개의 쓰레드에서만 접근이 가능합
		global_value += 1; 

		// 임계구역의 끝으로 unlock을 호출해야 다른 쓰레드에서 lock을 사용합니다.
		g_mutex.unlock();  
}

Mutex 객체는 Local이 아닌 Global Valiable로 선언해야 합니다. 각 쓰레드에 Mutex 객체가 따로 존재할 경우 상대의 Mutex객체를 확인할 수 없어 Mutex 객체의 기능인 동시 접근 불가를 정상적으로 실행할 수 없습니다.

Peterson lock

2개의 쓰레드를 사용하여 알고리즘을 사용할 때, 매개변수로 Lock과 Unlock을 구현하는 방법입니다.

volatile int victim = 0;
volatile bool flag[2] = (false, false};

Lock (int myID)
{
		int other = 1 - myID;
		flag [myID] = true;
		victim = myID;
		while (flag(other] & victim == myID) ()
}

Unlock(int myID)
{
		flag [myID] = false;
}

실행결과는 정상적으로 동작하지 않습니다.