AsyncIO를 위한 Python 배경지식 - (2) Thread & GIL

1. 쓰레드 (Thread)란?

 - 프로그램(프로세스)의 실행 단위이며, 하나의 프로세스는 여러개의 쓰레드로 구성이 가능하다.

 - 하나의 프로세스를 구성하는 쓰레드들은 프로세스에 할당된 메모리, 자원 등을 공유한다.

 - 프로세스와 같이 실행, 준비, 대기 등의 실행 상태를 가지며 실행 상태가 변할때마다 쓰레드 문맥교환(context switching)을 수행한다.

 - 각 쓰레드별로 자신만의 스택과 레지스터를 가진다.

출처 : https://goodgid.github.io/What-is-Thread/

 

2. 프로세스 와 쓰레드

 

 (1) Process

   -  프로세스는 실행 중인 프로그램으로 메모리에 적재되어 운영체제로부터 CPU의 시스템 자원을 할당 받을 수 있는 것을 말한다.

 

 (2) Thread

   - 쓰레드는 프로세스의 실행 단위라고 할 수 있다.

   - 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행 흐름으로 프로세스 내의 주소 공간이나 자원을 공유할 수 있다.

   - 이 경우 각각의 쓰레드는 독립적인 작업을 수행해야 하기 때문에 각자의 스택과 PC 레지스터 값을 갖고 있다.

 

 (3) Process & Thread

 

출처 : https://juyoung-1008.tistory.com/47

출처 : https://juyoung-1008.tistory.com/47

- 기본적으로 하나의 프로세스가 생성되면 하나의 쓰레드가 같이 생성된다. 이를 메인 쓰레드라고 부르며, 쓰레드를 추가로 생성하지 않는 한 모든 프로그램 코드는 메인 쓰레드에서 실행된다. 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료 구조에 접근할 수 없습니다. 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간 통신(IPC, inter-process communication)을 사용해야 합니다. 예를 들어 파이프, 파일, 소켓 등이 이에 해당합니다. 

- 쓰레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당 받고 Code, Data, Heap 영역은 공유한다. 쓰레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들을 같은 프로세스 내에 쓰레드끼리 공유하면서 실행된다. 따라서 한 쓰레드가 프로세스 자원을 변경하면 다른 이웃 쓰레드도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있다.

 

3. Multi-Process & Multi-Thread

 

 (1) Multi-Process

   - 하나의 응용프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업(테스크)을 처리하도록 하는 것이다.

   - Context Switching 과정에서 캐쉬 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모 되는 등의 오버헤드가 발생하게 된다. 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 프로세스 사이에서 공유하는 메모리가 없어 Context Switching가 발생하면 캐쉬에 있는 모든 데이터를 모두 리셋하고 다시 캐쉬 정보를 불러와야 하기
때문이다.

 

* Context Switching란? - CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는 데 이 과정을 Context Switching라 한다. - 구체적으로 동작 중인 프로세스가 대기를 하면서 해당 프로세스의 상태(Context)를 보관하고 대기하고 있던 다음 순서의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스의 상태를 복구하는 작업을 말한다.

 

 (2) Multi-Thread

   - 하나의 응용프로그램을 여러 개의 쓰레드로 구성하고 각 쓰레드로 하여금 하나의 작업을 처리 하도록 하는 것이다.

   - 윈도우, 리눅스 등 많은 운영체제들이 멀티 프로세싱을 지원하고 있지만 멀티 쓰레딩을 기본으로 하고 있다.

   - 웹 서버는 대표적인 멀티 쓰레드 응용 프로그램이다.

   - 쓰레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 떄문에 통신의 부담이 적다.

   - 쓰레드 사이의 작업량이 작아 Context Switching이 빠르다.

출처 : https://juyoung-1008.tistory.com/47

** 쓰레드 간의 자원 공유는 전역 변수(데이터 세그먼트)를 이용하므로 함께 상용할 때 충돌이 발생할 수 있다.

 

 

4. GIL (Global Interpreter Lock)이란?

 - 컴퓨터 언어에서 사용되는 매커니즘이다. Python은 코드가 실행될때 interpreter를 통해 실행(bytecode)되는데, 이때 실행동기화 스레드를 하나의 스레드가 한번에 실행할 수 있도록하는 것이 GIL이다. 

 - 나처럼 신입개발자라면 도대체 무슨소리인지 하나도 와닿지 않은 게 정상이다. 5번을 보자

 

5. GIL 그리고 임계구역

(1) 쓰레드 안전 (Thread Safe)

   - 멀티 스레드 프로그래밍에서 일반적으로 어떤 함수나 변수, 혹은 객체가 여러 스레드로부터 동시에 접근이 이루어져도 프로그램의 실행에 문제가 없음을 뜻한다. 보다 엄밀하게는 하나의 함수가 한 스레드로부터 호출되어 실행 중일 때, 다른 스레드가 그 함수를 호출하여 동시에 함께 실행되더라도 각 스레드에서의 함수의 수행 결과가 올바로 나오는 것으로 정의한다.

출처 : https://dgkim5360.tistory.com/entry/understanding-the-global-interpreter-lock-of-cpython

    - 위의 이미지는 쓰레드가 안전하지 않은 상황에서 벌어지는 일이다. 공유 자원을 이용해 쓰레드들이 동시 접근할 경우 쓰레드끼리 경쟁 상태(Race condition)가 되어 전혀 말도 안되는 결과값이 나온다든가 DeadLock(교착상태)에 빠져버릴 수 있다. 임계구역(Critical section)은 이때 둘 이상의 스레드가 동시에 접근해서는 안되는 공유 자원을 접근하는 코드의 일부를 말한다.

   - 따라서 멀티 쓰레드 환경에서는 쓰레드 안전의 상태를 잘 지켜줘야한다.

 

(2) GIL 역할

   - 앞에서 보았듯이, 임계구역에 쓰레드들이 한꺼번에 접근하지 못하게 하도록 다양한 매커니즘이 존재한다.

   - 그 중에서 Python은 Mutex 방법을 차용하여 Interpreter 차원에서 Lock을 걸어버려 자체적으로 싱글쓰레드로 쓰이도록 만들었는데 그게 바로 GIL이라는 것이다.