[Pintos - thread] - Alarm 구현

 

스레드의 기본 개념을 공부하고 본격적으로 Pintos(핀토스) 구현에 들어갔다. 그런데… 이게 생각보다 너무 어렵다. 😅

특히 함수와 매크로를 이해하는 데만 2~3일이 걸렸다. Pintos는 단순히 코드만 짜는 게 아니라, 운영체제가 “어떻게 스레드를 관리하고, 언제 실행시킬지”를 직접 설계해야 하기 때문이다. 아직 구현은 손도 못 댄 상태에서, 하루 종일 list_elem, thread_block, intr_disable 같은 이름만 들여다보고 있었다. “대체 얘네가 무슨 일을 하는 거지…?”그렇게 며칠을 헤맨 끝에, 드디어 첫 번째 목표였던 Alarm(알람) 기능을 구현하기 시작했다.

 

 

Alarm

운영체제에서 “알람(Alarm)” 기능은 스레드(Thread)가 “일정 시간 동안 잠들었다가 자동으로 깨어나는 기능”을 말한다. 현재 구현되어 pintos에 구현되어 있는 방식은 busy-wait이다. 이 방식은 잠든 스레드에게 "너 지금 깨어있니?"라고 계속 물어보면서 만약 만들어있다면 다른 스레드에게 양보를 하는 방식이기 때문에 굉장히 비효율 적이라고 볼 수 있다. 

sleep -> wake up -> time check -> sleep -> wake up -> time check -> wake up

 

이러한 방법을 해결하기 위해서 한번 잠에 든 스레드는 일어나는 시간을 기억하고 그 전까지는 스케줄링에 포함 시키지 않는다면 조금 더 효율적으로 동작할 수 있을 것이다.

 

 

 

구현

1) 리스트 선언 & 구조체 타입 추가

// 잠든 상태의 스레드들이 담긴 리스트
struct list sleep_list;

 

struct thread {
	...
	int64_t wait_time; /*깨어날 시간대를 확인*/
    ...
};

 

2) 사용자가 잠을 요청

void timer_sleep (int64_t ticks) {
  int64_t start = timer_ticks();                 // 현재 절대시간(틱)
  ASSERT (intr_get_level() == INTR_ON);
  thread_sleep(start + ticks);                   // 절대시각으로 변환하여 위임
}

 

nt64_t start = timer_ticks();

• 현재까지 운영체제 부팅 이후 흐른 전체 tick 수를 읽습니다.
• 즉, “지금 시각이 몇 tick인지”를 알려주는 함수입니다.

 ASSERT(intr_get_level() == INTR_ON);

• 인터럽트가 켜져 있는 상태(INTR_ON) 인지 검사합니다.
• 왜냐하면 timer_sleep()은 사용자 스레드가 호출하는 함수이기 때문에,
  인터럽트를 꺼버리면 커널이 시간(tick)을 못 세게 되기 때문이에요.

💡 핵심 포인트:
Sleep 요청은 “시간이 흘러야” 의미가 있으므로,
타이머 인터럽트가 꺼진 상태에서는 동작하면 안 됩니다.

 

thread_sleep(start + ticks);

• start는 “현재 시간”, ticks는 “얼마 동안 잘 건지(대기 시간)”
• 두 값을 더해서 “언제 깨어나야 하는지(절대시각)” 를 계산합니다.
• 그리고 그 값을 들고 thread_sleep() 함수로 넘깁니다.
  → 즉, “이 시각에 깨어나야 해!” 라고 OS에게 맡기는 과정이에요.

 

2) 현재 스레드를 재우기

//sleep_list에 잠자는 스레드 추가
void thread_sleep(int64_t ticts){
	struct thread *cur;
	enum intr_level old_level;

	old_level = intr_disable();//인터랩트 중단
	cur =	thread_current(); // 현제 CPU에서 동작하는 스레드

	cur->wait_time = ticts;
	list_insert_ordered(&sleep_list, &cur->elem,c_thread_ticks,NULL);
	thread_block();// 스레드 생명주기에서 제외   

	intr_set_level(old_level);//인터랩트 활성화   
	
}

스레드를 재우고 블록 시키므로 자는 스레드를 스케줄링에서 제외시키는 함수이다. 이렇게 되면 전 코드보다 효율적으로 스레드를 관리 할 수 있게 된다.

 

old_level = intr_disable();

“임계 구역 보호용: 인터럽트 잠시 끈다.”

• 인터럽트가 켜져 있으면, 지금 스레드를 리스트에 넣는 도중
  타이머 인터럽트가 동시에 발생해서 리스트를 건드릴 수 있습니다.
  → 데이터 불일치(race condition) 발생.
• 그래서 인터럽트를 잠시 꺼서 “다른 코드가 sleep_list에 접근하지 못하게” 합니다.
  (old_level은 나중에 원상복구하기 위해 저장)

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cur = thread_current();

“지금 CPU에서 실행 중인 스레드가 누구인지 확인.”

• thread_current()는 “현재 실행 중인 스레드”의 구조체 포인터를 반환합니다.
• 즉, 지금 잠들려는 스레드 자기 자신을 의미해요.

---

cur->wait_time = ticts;

“언제 깨어나야 하는지 기록.”

• 인자로 넘어온 ticts는 이미 timer_sleep()에서 start + ticks로 계산된 절대시각입니다.
• 따라서 스레드 구조체 내부의 wait_time에 “나 이 시각에 깨워줘!”라고 저장합니다.

---

list_insert_ordered(&sleep_list, &cur->elem, c_thread_ticks, NULL);

“sleep_list에 정렬된 순서로 삽입.”

• sleep_list는 “잠든 스레드 목록”입니다.
• list_insert_ordered()는 단순히 추가하는 게 아니라,
  wait_time이 작은 순서(즉, 더 빨리 깨어날 순서)로 리스트에 정렬 삽입해줍니다.

---

 thread_block();

“현재 스레드를 BLOCKED 상태로 바꾼다.”

• 스레드의 상태를 RUNNING → BLOCKED 로 변경합니다.
• BLOCKED 상태는 CPU 스케줄링 대상에서 제외되므로,
  이제 이 스레드는 실행되지 않고 운영체제의 sleep_list에 잠들어 있게 됩니다.

---

intr_set_level(old_level);

“인터럽트 상태 복원.”

• old_level = intr_disable(); 에서 끈 인터럽트를 다시 원래 상태로 돌려놓습니다.
• 만약 원래 켜져 있었다면 다시 켜고, 꺼져 있었다면 그대로 둡니다.

 

3) 재운 스레드 삽입 위치 정하기

bool c_thread_ticks(const struct list_elem *a, const struct list_elem *b, void *aux){
	struct thread* a1 = list_entry(a,struct thread,elem); // a
	struct thread* b1 = list_entry(b,struct thread,elem);
	return a1->wait_time < b1->wait_time;
}

list_insert_ordered에 인자 값으로 들어갈 함수로 sleep_list에 들어갈 위치를 찾기 위해 사용된다.

동작 원리는 단순히 비교를 하는 것이지만 list_entry라는 메크로를 이해하는데 조금 시간이 걸렸다.

 

 

 

4) 자는 스레드 깨우기

void thread_wake_up(void){
	int64_t cur_time = timer_ticks ();

	while (!list_empty(&sleep_list))
	{
		struct thread* t = list_entry(list_front(&sleep_list),struct thread,elem);
		if(t->wait_time > cur_time){
			break;
		}
		list_pop_front(&sleep_list); // sleep_list에서 삭제
		thread_unblock(t); // 잠에서 깬 스래드 언브록
	}	
}

 

 

int64_t cur_time = timer_ticks ();

• 현재 커널 시간(틱) 을 스냅샷으로 한 번 읽어 둔다.
• 이 값을 기준으로 “깰 시간(wait_time)이 지났는가?”를 판단한다. (여러 번 timer_ticks()를 부르면 도중에 값이 바뀔 수 있으니, 한 번 읽고 계속 쓰는 게 안전/일관적이다.)

---

while (!list_empty(&sleep_list))

• 잠들어 있는 스레드들의 목록(sleep_list) 이 빌 때까지 확인한다.
• sleep_list는 “언제 깰지(오름차순)”로 정렬되어 있다는 전제가 있다. (가장 먼저 깨어날 스레드가 항상 맨 앞)

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struct thread* t = list_entry(list_front(&sleep_list), struct thread, elem);

• 리스트 맨 앞(front) 의 노드를 집어 와서, 그 노드가 속한 스레드 구조체(struct thread) 로 복원한다.
• 맨 앞은 “가장 먼저 깨어날” 스레드이므로, 이 스레드부터 깰지 말지 판단한다.

이렇게 구현이 끝나고 테스트 케이스를 돌려보면

 

 

성공!!!!