커널 스레드 vs 유저 스레드(사용자 스레드)
스레드란
스레드란 하나하나의 실행 단위를 말하며, 흔히 프로세스를 차를 만드는 공장에 비유한다면 스레드를 바퀴를 만드는 일꾼, 모터를 만드는 일꾼 등에 비유하곤 합니다.
이 스레드는 커널 공간에서 구현하는 커널 스레드와 유저 공간에서 구현하는 유저 스레드 두 종류로 나눌 수 있습니다.
커널 스레드 (Kernel Threads)
: 운영 체제의 "커널"이 관리하는 스레드입니다. 프로세스가 생성되면 커널은 하나의 커널 스레드를 만드는데, "프로세스"가 아닌 이 "커널 스레드"가 실질적인 스케쥴링 대상이 되며 하나의 프로세스는 하나 이상의 커널 스레드를 가집니다.
유저 스레드 (Kernel Threads)
: 유저 공간에서 라이브러리에 의해 관리되는 스레드입니다. 커널은 유저 스레드의 존재를 모르며, 모든 유저 스레드의 관리는 유저 공간에서 이루어집니다. 유저 스레드의 실질적인 수행은 자신이 속한 프로세스의 커널 스레드와 연결돼서 수행됩니다.
좀 더 이해하기 쉽도록, A라는 프로세스에 대해 커널 스레드를 2개 만들 때와 유저 스레드를 2개 만들 때를 도식화해서 보겠습니다.
이때, 실질적으로 스케쥴링 대상이 되는 것은 커널 스레드이며, 커널은 유저 스레드의 존재를 모른다고 했습니다. 따라서 프로세스 A, B가 있는 상황에서 A에 커널 스레드만 2개 있는 경우와 A에 유저 스레드가 2개 있는 경우는 다음과 같이 스케쥴링됩니다.
프로세스 A에 커널 스레드만 2개인 경우, A의 2개 커널 스레드 각각이 스케쥴링 대상이 됩니다. 따라서 A의 0번 스레드와 1번 스레드, 프로세스 B(얘도 B의 커널 스레드라고 볼 수 있겠죠)가 스케쥴링되는 걸 볼 수 있습니다. 그러나 프로세스 A에 유저 스레드가 2개인 경우, 커널은 유저 스레드를 모르며 오직 커널 스레드만이 스케쥴링 대상이 되기 때문에 A의 커널 스레드와 B의 커널 스레드만이 스케쥴링 대상이 됩니다. 이 때 A의 유저 스레드가 2개인 상황에서 A의 커널 스레드가 실행될 때, 0번 스레드(유저 스레드임)와 1번 스레드(유저 스레드임)를 어떻게 배분할지는 스레드 라이브러리가 책임집니다. 즉 유저 스레드는 자신이 속한 프로세스의 커널 스레드가 CPU에 올라왔을 때, 그 커널 스레드와 연결돼서 수행되는 스레드라고 볼 수 있는 것이죠.
"커널 스레드가 실질적인 스케쥴링 대상이다"로 비롯되는 다른 차이점은 어떤 것들이 있을까요? 우선 커널 스레드의 경우 같은 프로세스의 커널 스레드라 할지라도 다른 프로세서에 할당할 수 있는 반면, 같은 프로세스의 유저 스레드들은 다른 프로세서로 할당될 수 없을 수도 있습니다(커널 스레드가 CPU에 올라갔을 때 연결돼서 수행되기 때문). 즉 커널 스레드는 멀티프로세서 시스템에서 유저 스레드보다 더 효율적으로 작동한다고 볼 수 있죠. 그리고 커널 스레드가 시스템콜을 호출하면 해당 스레드만 블로킹되고, 다른 커널 스레드들은 계속 실행될 수 있습니다. 반면 유저 스레드는 하나의 유저 스레드가 시스템콜을 호출하면 같은 프로세스의 다른 유저 스레드들도 블로킹될 수 있습니다. 커널은 그 유저 스레드에 연결된 커널 스레드가 시스템콜을 호출한 거라고 여기기 때문에, 해당 커널 스레드가 블로킹되면서 물려있던다른 유저 스레드들도 블로킹될 여지가 있다는 거죠. 컨텍스트 스위칭 비용의 경우, 커널 스레드의 컨텍스트 스위칭이 유저 스레드의 컨텍스트 스위칭보다 가볍습니다.
표로 정리하면 다음과 같겠습니다.
| 커널 스레드 | 유저 스레드 | |
| 관리 주체 | 커널 | 유저 수준 라이브러리 |
| 생성 및 관리 비용 | 상대적으로 높음 | 상대적으로 낮음 |
| 블로킹 시스템콜 | 한 스레드가 블로킹되어도 다른 스레드에 영향 없음 | 한 스레드가 블로킹되면 전체가 블로킹될 수 있음 |
| 멀티프로세서 지원 | 효율적 | 비효율적 |
| 컨텍스트 스위칭 비용 | 상대적으로 높음 | 상대적으로 낮음 |
그럼 이제 유저 스레드가 커널 스레드와 연결되는 3가지 스레드 모델을 살펴보겠습니다.
1. One-to-One Model
각 유저 스레드가 하나의 커널 스레드와 연결되는 모델입니다. 각 커널 스레드는 독립적으로 스케쥴링되므로, 같은 프로세스 내의 유저 스레드들은 각각 다른 프로세서에서 병렬로 실행될 수 있으며 하나의 유저 스레드에서 시스템콜을 호출해도 다른 유저 스레드가 블로킹되지 않습니다. 그러나 유저 스레드의 컨텍스트 스위칭 이점을 볼 수 없는 모델이기도 합니다.
2. Many-to-One Model
여러 유저 스레드가 하나의 커널 스레드와 연결되는 모델입니다. 따라서 같은 프로세스의 유저 스레드들이 서로 다른 프로세서에서 병렬로 실행될 수 없으며, 하나의 유저 스레드에서 시스템콜을 호출한 경우 다른 유저 스레드들도 블로킹될 수 있습니다. 그러나 유저 스레드의 컨텍스트 스위칭 이점을 얻을 수 있는 모델입니다.
3. Many-to-Many Model
여러 유저 스레드가 여러 커널 스레드와 연결되는 모델로 One-to-One과 Many-to-One을 짬뽕한 모델입니다. 같은 프로세스의 유저 스레드가 여러 프로세서에서 병렬로 실행될 수 있으며, 한 유저 스레드가 시스템콜을 호출해도 다른 커널 스레드에 연결된 유저 스레드들이 있으니 유저 스레드들이 모두 블로킹되는 불상사를 막을 수 있습니다. 유저 스레드의 컨텍스트 스위칭 이점도 챙길 수 있으나, 설계와 구현이 매우 복잡하며 유저 스레드와 커널 스레드 간 연결 관계의 관리 등에 오버헤드가 들어감을 감안해야 합니다.
참고로 자바에서 21버전부터 Virtual Thread가 도입됐는데요. 원래는 자바에서 유저 스레드를 만들면 그에 연결되는 커널 스레드도 함께 만들어졌습니다. 즉 기존에는 One-to-One 모델을 사용했던 것이죠. 그러나 Virtual Thread는 Many-to-One과 비슷한 컨셉을 차용해서 컨텍스트 스위칭 비용을 낮췄습니다. 관심있는 분은 다음 글을 보면 될 것 같습니다.
https://techblog.woowahan.com/15398/
Java의 미래, Virtual Thread | 우아한형제들 기술블로그
JDK21에 공식 feature로 추가된 Virtual Thread에 대해 알아보고, Thread, Reactive Programming, Kotlin coroutines와 비교해봅니다.
techblog.woowahan.com