Thread 종류 정리

프로그램은 컴퓨터상에서 세개의 level로 구분되어 실행되고 각 level은 해당 영역에서 스레드를 생성하고 관리한다.
(유저 level에서 프로그램이 실행되고 OS level에서 커널을 통해 하드웨어 level에 접근한다.)

1. 유저(User) level
2. 커널(OS) level
3. 하드웨어 level (CPU, 메모리, Device)

Thread는 하드웨어 스레드, OS 스레드, 네이티브 스레드, 커널 스레드, 유저 스레드, 그린 스레드 등 다양한 이름으로 불린다.

하드웨어 스레드

• 코어가 메모리에 어떤 작업을 하는 경우 대기하는 시간이 발생한다. 이때 코어가 대기하지 않고 다른 작업을 수행할 수 있도록 하는 것이 하드웨어 스레드이다.
• 인텔의 하이퍼스레딩 기술이 이에 해당한다. (물리적 코어가 1개인데 논리적 코어가 2개인 경우)
• 만약에 싱글 코어 CPU에서 하드웨어 스레드가 두개라면 OS는 이 CPU를 듀얼 코어로 인식하고 듀얼 코어에 맞춰서 OS 레벨의 스레드들을 스케쥴링 한다.

Q. 인텔 듀얼 코어 CPU에 hyper-threading이 적용됐다면 하드웨어 스레드는 몇 개인가?

• A. 4개

OS(커널) 스레드

• 운영체제가 직접 관리하는 스레드이다.
• 스레드의 생성, 스케쥴링, 컨텍스트 스위칭 등을 커널이 담당한다.
• OS스레드의 컨텍스트 스위칭 비용은 유저 스레드보다 크다.
  (유저 스레드는 유저 레벨에서 스레드를 관리하기 때문에 커널이 개입하지 않는다.)
• OS 스레드는 시스템 콜을 통해 사용자 모드와 커널 모드를 오가며 실행된다.

모드	설명	특징
사용자 모드 (User Mode)	일반 애플리케이션 코드가 실행되는 영역	하드웨어 직접 접근 불가, 시스템 콜 필요
커널 모드 (Kernel Mode)	운영체제(OS) 내부 코드가 실행되는 영역	하드웨어 직접 접근 가능, 보호된 메모리 사용 가능

OS 스레드에서 사용자 모드와 커널 모드가 전환되는 과정

1. 애플리케이션 코드 실행 → 사용자 모드에서 실행 중
2. 파일을 읽거나 네트워크 요청 같은 시스템 콜을 호출함 (예: read(), write(), socket())
3. 시스템 콜을 호출하면 OS(커널)로 제어권이 넘어가면서 커널 모드로 전환됨
4. 커널이 필요한 작업(파일 읽기, 네트워크 요청 처리 등)을 수행함
5. 작업이 끝나면 다시 사용자 모드로 돌아감

OS 스레드의 다른 이름

• 네이티브(native) 스레드 (*네이티브는 보통 운영체제를 의미한다.)
• 커널(kernel) 스레드
• 커널-레벨(kernel-level) 스레드
• OS-레벨(OS-level) 스레드

Q. OS 스레드 여덟 개가 하이퍼 스레딩이 적용된 인텔 듀얼코어 위에서 동작한다면 OS스레드들을 어떻게 코어에 균등하게 할당할 수 있을까 ?

• A. OS는 하드웨어 스레드를 4개로 인식하고 스케쥴링한다. 때문에 각 코어에 2개의 OS 스레드가 할당된다.

유저 스레드

• 스레드 개념을 프로그래밍 언어 레벨에서 추상화한 것.
• 유저 스레드가 CPU에서 실행되려면 OS 스레드와 반드시 연결돼야 한다.

유저 스레드와 OS 스레드를 연결하는 방법

1. One-to-One Model
   • 스레드를 생성할 때마다 OS 스레드를 생성한다.
   • 컨텍스트 스위칭 비용이 크다. (커널이 개입하기 때문)
   • 스레드 관리를 OS에 위임한다. (스케쥴링 커널이 담당)
   • 한 스레드가 블록되어도 다른 스레드가 실행될 수 있다.
   • race condition이 발생할 수 있다.
   • Java, C# 등에서 사용한다.
2. Many-to-One Model
   • 여러 개의 유저 스레드가 하나의 OS 스레드에 매핑된다.
   • 컨텍스트 스위칭 비용이 적다. (유저 레벨에서 스레드를 관리하기 때문 » 커널이 개입하지 않는다.)
   • race condition 발생 가능성이 낮다. (유저 레벨에서 스레드를 관리하기 때문)
   • os 스레드가 하나이기 때문에 멀티코어를 활용하지 못한다.
   • 한 스레드가 블록되면 다른 스레드도 블록된다. (이를 해결하기 위해 Non-blocking I/O 개념이 나왔다.)
3. Many-to-Many Model
   • 여러 개의 유저 스레드가 여러 개의 OS 스레드에 매핑된다.
   • One-to-One Model과 Many-to-One Model의 장점을 결합한 모델이다.
   • 멀티코어를 활용할 수 있고, 유저 레벨에서 스레드를 관리하기 때문에 컨텍스트 스위칭 비용이 적다. 하나의 유저 스레드가 블록되어도 다른 유저 스레드가 실행될 수 있다.
   • Go에서 사용한다.

그린 스레드

• Java 초창기 버전은 Many-to-One Model을 사용했는데, 이때 유저 스레드를 그린 스레드라고 부른다.
• OS와 독립적으로 유저 레벨에서 스케쥴링되는 스레드이다.

출처 & 참고

• 쉬운코드