[C++] 20. 멀티 스레드 프로그래밍(Multi-Threads)

 

 

 

멀티스레드(Multi-Threads)

멀티스레드 프로그래밍은 하나의 컴퓨터 프로그램 안에서 여러 개의 실행 흐름인 스레드(thread)를 사용하여 병렬로 작업을 수행하는 프로그래밍 기법입니다. 간단히 말해서, 멀티스레드 프로그래밍은 여러 개의 작은 "부분 작업"을 동시에 실행하여 전체 작업을 더 효율적으로 처리하는 것을 목표로 합니다.

멀티스레드 프로그래밍의 주요 개념은 다음과 같습니다:

1. 스레드 (Thread): 프로그램의 실행 흐름을 나타내는 하나의 단위로, 동시에 여러 스레드를 실행하면 여러 작업을 동시에 처리할 수 있습니다.

2. 병렬성 (Concurrency): 멀티스레드 프로그래밍에서는 여러 스레드가 동시에 실행되지만, 실제로 동시에 실행되는 것은 프로세서의 물리적 한계 때문에 제한될 수 있습니다. 따라서 여러 작업이 겹쳐서 실행되는 개념을 병렬성이라고 합니다.

3. 동기화 (Synchronization): 여러 스레드가 동시에 접근하거나 수정하는 공유 데이터를 보호하기 위해 동기화 메커니즘(예: 뮤텍스, 세마포어, condition variable 등)을 사용하여 스레드 간의 상호작용을 조절할 수 있습니다.

4. 경쟁 상태 (Race Condition): 여러 스레드가 동시에 공유 데이터를 수정할 때 예측할 수 없는 결과가 발생할 수 있는데, 이를 경쟁 상태라고 합니다. 적절한 동기화 없이 멀티스레드 프로그래밍을 구현하면 경쟁 상태 문제가 발생할 수 있습니다.

멀티스레드 프로그래밍의 장점은 많습니다.

- 성능 향상: 작업을 여러 스레드로 분할하여 병렬로 실행하므로 전체 작업을 더 빠르게 처리할 수 있습니다.
- 비동기 처리: 여러 작업을 병렬로 실행하므로, 한 작업의 완료를 기다리지 않고 다른 작업을 동시에 처리할 수 있습니다.
- 자원 활용: 멀티코어 프로세서를 효과적으로 활용하여 프로그램의 성능을 최적화할 수 있습니다.
- 응답성 향상: 병렬로 작업을 처리하므로 사용자의 입력에 대한 응답성이 향상될 수 있습니다.

하지만 멀티스레드 프로그래밍은 동기화와 경쟁 상태 문제, 디버깅의 어려움 등의 어려움도 동반합니다. 따라서 스레드 간의 안전한 상호작용을 보장하고 병렬 실행을 최적화하기 위해 주의 깊게 설계와 구현을 해야 합니다.

 

 

멀티스레드와 멀티프로세스

멀티스레드와 멀티프로세스는 모두 병렬 프로그래밍 기법의 일종으로, 여러 작업을 동시에 처리하는 방법을 나타내지만, 그 실행 방식과 특징 등에서 차이가 있습니다.

멀티스레드 (Multithreading)
멀티스레드는 하나의 프로세스 내에서 여러 개의 스레드를 동시에 실행하는 것을 의미합니다. 이러한 스레드들은 같은 주소 공간을 공유하며, 데이터 및 자원에 대한 접근이 비교적 간단하고 빠릅니다. 멀티스레드의 특징은 다음과 같습니다:

- 공유 메모리: 멀티스레드는 같은 프로세스 내에서 동작하므로, 데이터와 자원을 공유할 수 있습니다.
- 빠른 통신: 스레드 간의 통신이 빠르며, 데이터를 주고 받는데에 오버헤드가 적습니다.
- 경량: 스레드 간의 전환 및 생성이 비교적 빠르고 경량적입니다.

그러나 멀티스레드 프로그래밍은 다음과 같은 주요 어려움과 주의사항이 있습니다.

- 동기화: 여러 스레드가 공유 데이터에 접근하거나 수정할 때 동기화 문제와 경쟁 상태 문제가 발생할 수 있습니다.
- 디버깅 어려움: 여러 스레드 간의 상호작용과 동시성 문제를 디버깅하는 것은 어려울 수 있습니다.

멀티프로세스 (Multiprocessing)
멀티프로세스는 여러 개의 별도 프로세스들을 동시에 실행하는 것을 의미합니다. 각 프로세스는 독립적인 메모리 공간을 가지며, 프로세스 간의 통신이나 데이터 공유는 별도의 메커니즘을 사용해야 합니다. 멀티프로세스의 특징은 다음과 같습니다:

- 독립적 메모리 공간: 각 프로세스는 독립적인 메모리 공간을 가지므로, 하나의 프로세스가 충돌하더라도 다른 프로세스에는 영향을 미치지 않습니다.
- 안정성: 하나의 프로세스의 오류가 다른 프로세스에 영향을 미치지 않으므로 시스템의 안정성이 높아질 수 있습니다.

멀티프로세스의 주요 장점은 각 프로세스 간의 독립성과 안정성이지만, 프로세스 간의 통신과 데이터 공유가 복잡하고 오버헤드가 크다는 단점이 있습니다. 프로세스 간의 통신은 IPC라고 부르며 IPC는 하나의 프로세스 내에서 데이터를 공유하는 것보다 어렵습니다. IPC기법에 대해서는 추후에 따로 다루겠습니다.

 

 

std::thread

C++의 `std::thread`는 C++11부터 제공되는 표준 라이브러리 클래스로, 멀티스레딩을 구현하고 관리하기 위해 사용됩니다. 이 클래스를 사용하여 병렬 실행을 간단하게 구현하고 여러 작업을 동시에 처리할 수 있습니다.

사용법

std::thread를 사용하여 스레드를 생성하고 시작하는 과정은 다음과 같습니다.

1. #include <thread>를 추가하여 헤더 파일을 포함합니다.
2. std::thread 객체를 생성하면서 실행하고자 하는 함수 (또는 함수 객체)와 인자들을 전달합니다.
3. 생성된 스레드 객체를 .join() 메서드를 호출하여 메인 스레드와 병렬로 실행합니다.
4. 스레드 작업이 완료되면 .join()을 호출하여 스레드의 실행이 끝나기를 기다립니다.

예를 들어, 다음은 간단한 사용 예제입니다:

#include <iostream>
#include <thread>

void threadFunction(int num) {
    std::cout << "Thread started with argument: " << num << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t(threadFunction, 42);  // 스레드 생성
    t.join();  // 스레드 실행 완료까지 대기

    std::cout << "Main thread continues..." << std::endl;
    return 0;
}

 

아래는 람다함수를 활용한 예제입니다.

#include <iostream>
#include <thread>

int main() {
    std::thread t([]() {
        for (int i = 0; i < 5; ++i) {
            std::cout << "Thread executing..." << std::endl;
        }
    });

    t.join();
    std::cout << "Main thread continues..." << std::endl;
    return 0;
}

 

여러 개의 스레드를 만드는 예제입니다.

#include <thread>
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

void doSomething(int id) {
    cout << id << "\n";
}

/**
 * Spawns n threads
 */
void spawnThreads(int n)
{
    std::vector<thread> threads(n);
    // spawn n threads:
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        threads[i] = thread(doSomething, i + 1);
    }

    for (auto& th : threads) {
        th.join();
    }
}

int main()
{
    spawnThreads(10);
}

 

 

join & detach

std::thread의 join()과 detach()는 스레드의 실행을 관리하는 두 가지 중요한 메서드입니다. 이들은 스레드의 수명과 메인 스레드 간의 관계를 다루는 데 사용됩니다.

1. join()
join() 메서드는 생성된 스레드의 실행이 끝날 때까지 메인 스레드를 블로킹하도록 합니다. 다시 말해, 메인 스레드는 join() 호출 시점에서 해당 스레드가 종료할 때까지 기다립니다. 이후에는 메인 스레드가 계속 진행됩니다.

join()을 호출하면 다음과 같은 효과가 발생합니다.
- 스레드의 실행이 완료될 때까지 기다림.
- 스레드가 종료되면 스레드 자원을 정리하고 해제함.
- 스레드가 종료될 때까지 메인 스레드는 블로킹 상태가 되며, 다른 스레드나 작업을 수행하지 못함.


2. detach()
detach() 메서드는 생성된 스레드를 메인 스레드로부터 분리하여 실행하도록 합니다. 이후에 메인 스레드와 생성된 스레드는 독립적으로 실행됩니다. 메인 스레드는 detach() 호출 이후에도 바로 진행되며, 생성된 스레드는 백그라운드에서 실행됩니다.

detach()를 호출하면 다음과 같은 효과가 발생합니다.
- 스레드를 메인 스레드로부터 분리하여 실행.
- 스레드가 종료되면 자동으로 리소스 정리 및 해제됨.
- 메인 스레드와 생성된 스레드 간의 독립적인 실행.

예시

#include <iostream>
#include <thread>

void threadFunction() {
    std::cout << "Thread started..." << std::endl;
    // 스레드 작업 수행
    std::cout << "Thread finished." << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t(threadFunction);
    t.detach(); // 스레드를 분리하여 실행

    // 메인 스레드는 t.detach() 이후에도 진행됨

    std::cout << "Main thread continues..." << std::endl;
    return 0;
}

여기서 주의사항은, detach()를 호출하면 스레드가 실행 중인지 여부를 추적할 수 없으므로, 스레드의 실행이 종료되었는지를 확인하는 메커니즘이 필요합니다. 스레드가 분리된 후에는 스레드의 실행이 완료되지 않더라도 해당 스레드 객체의 소멸자가 호출될 때 자동으로 리소스가 정리됩니다.

정리하면, join은 스레드를 만든 스레드에서 스레드 종료를 대기하고 있는 것이고, detach는 스레드를 만들고 스레드의 자원반납을 OS에게 맡기는 것입니다.

 

 

다음 포스팅에서는

• 공유자원과 경쟁 상태(Shared resources, Race condition)
• 데드락과 뮤텍스(Deadlock, mutex, lock)
• atomic, condition_variable, wait/wait_for
• std::async 사용법(작업 기반 비동기처리)

에 대해서 다뤄보겠습니다.

멀티 스레드는 총 3개의 파트로 진행됩니다. 이 포스팅이 그 첫 번째입니다.
두 번째 : mutex, lock 처리, 생산자-소비자 패턴, async,
세 번째 : 스레드풀 만들기, 실전 예제 살펴보기

 

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