스레드 02. 멀티스레딩(Multithreading)

2. 멀티스레딩(Multithreading)

 

2.1 멀티스레딩이란?

멀티스레딩은 하나의 프로세스 안에서 여러 개의 스레드가 동시에 실행되는 것을 말합니다. 각각의 스레드는 독립적인 작업을 처리하지만, 같은 메모리 공간을 공유하기 때문에 서로 간에 데이터를 주고받을 수 있습니다. 이 방식은 프로그램이 병렬로 여러 작업을 처리할 수 있게 해주어 응답성을 높이고, 성능을 향상시킬 수 있습니다.

멀티스레딩을 사용하면, 컴퓨터의 여러 코어를 효율적으로 활용할 수 있어 대규모 연산이나 I/O 작업에서 큰 장점을 가질 수 있습니다.

2.2 멀티스레딩의 필요성

멀티스레딩이 필요한 이유는 다음과 같습니다:

1. 응답성 향상: 예를 들어, 사용자 인터페이스(UI)를 가진 프로그램에서 무거운 작업(파일 다운로드, 계산 작업 등)을 처리할 때, 멀티스레딩을 사용하면 프로그램이 멈추지 않고 사용자와 상호작용할 수 있습니다. 하나의 스레드는 UI를 유지하고, 다른 스레드는 백그라운드에서 작업을 수행합니다.
2. 병렬 처리: CPU가 여러 코어를 사용할 수 있는 경우, 멀티스레딩을 통해 프로그램을 병렬로 실행하면 작업을 더 빠르게 처리할 수 있습니다. 이 방법은 대규모 계산 작업이나 데이터 처리에서 유리합니다.
3. 자원 공유: 멀티프로세스 방식에서는 프로세스 간에 메모리를 공유하지 않지만, 멀티스레딩에서는 스레드끼리 같은 메모리 공간을 공유할 수 있습니다. 이를 통해 스레드 간 통신이 매우 빠르고 효율적입니다.

2.3 멀티스레딩의 동작 방식

멀티스레딩은 운영체제와 하드웨어(CPU)의 도움을 받아 동작합니다. CPU는 여러 스레드를 번갈아가며 실행하며, 이를 통해 멀티스레딩이 실현됩니다. 운영체제는 스케줄링(Scheduling)을 통해 어떤 스레드를 먼저 실행할지 결정하며, 각 스레드에 CPU 시간을 할당합니다.

• CPU 코어와 스레드: CPU는 여러 코어를 가지고 있고, 각 코어가 하나 이상의 스레드를 실행할 수 있습니다. 만약 CPU가 멀티코어라면, 여러 스레드가 동시에 실행될 수 있고, 단일 코어에서는 한 번에 한 스레드만 실행되며, 스케줄링을 통해 스레드가 번갈아 가며 실행됩니다.

2.4 멀티스레딩의 장점

1. 효율적인 CPU 사용: 멀티스레딩을 사용하면 CPU의 유휴 시간을 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 하나의 스레드가 파일을 읽는 동안 다른 스레드가 데이터를 처리할 수 있습니다. 이러한 방식은 CPU가 항상 작업을 수행하도록 하여 성능을 향상시킵니다.
2. 자원 절약: 스레드는 같은 프로세스 내에서 자원을 공유하기 때문에 새로운 프로세스를 생성하는 것보다 더 적은 메모리와 CPU 자원을 소비합니다. 프로세스 간의 통신보다 스레드 간의 통신이 훨씬 간단하고 빠르기 때문에 효율적입니다.
3. 응답성: 긴 시간이 걸리는 작업(예: 대용량 데이터 처리, 네트워크 I/O 등)을 별도의 스레드에서 실행하면 메인 스레드는 사용자 입력을 처리하는 데 집중할 수 있습니다. 이를 통해 프로그램의 응답성을 높일 수 있습니다.

2.5 멀티스레딩의 단점

 

1. 동기화 문제: 스레드 간의 자원 공유는 동기화 문제를 발생시킬 수 있습니다. 여러 스레드가 동시에 공유 자원에 접근하려 하면 데드락(Deadlock)이나 레이스 컨디션(Race Condition)과 같은 문제가 발생할 수 있습니다. 이를 방지하려면 적절한 동기화 기법을 사용해야 합니다(예: synchronized, lock, semaphore 등).
2. 디버깅 어려움: 멀티스레딩 프로그램은 여러 스레드가 동시에 실행되므로, 버그가 어디에서 발생하는지 찾기가 어렵습니다. 특히, 스레드 간의 실행 순서가 달라질 수 있기 때문에 문제가 간헐적으로 발생할 수 있습니다.
3. 오버헤드: 너무 많은 스레드를 생성하면, 각 스레드를 관리하는 데 필요한 컨텍스트 스위칭(Context Switching) 비용이 발생하여 오히려 성능이 저하될 수 있습니다. 각 스레드가 CPU의 시간을 차지하려고 경쟁하므로, 오버헤드가 커질 수 있습니다.

2.6 멀티스레딩의 실제 사용 예시

1. 웹 서버: 웹 서버는 동시에 여러 사용자의 요청을 처리해야 합니다. 멀티스레딩을 사용하면, 각 요청을 처리하는 스레드를 만들어 동시에 여러 사용자의 요청에 응답할 수 있습니다.
2. 게임 엔진: 게임은 그래픽 처리, 물리 연산, 사용자 입력 등을 동시에 처리해야 합니다. 멀티스레딩을 사용하면 이러한 작업을 병렬로 처리하여 성능을 최적화할 수 있습니다.
3. 멀티미디어 처리: 비디오 편집 소프트웨어나 음악 플레이어는 멀티스레딩을 사용하여 영상/음향을 재생하면서 다른 작업(필터 적용, 파일 처리 등)을 동시에 수행할 수 있습니다.

2.7 멀티스레딩의 기본 도구

1. 스레드 클래스(Thread Class): 대부분의 프로그래밍 언어에서 스레드를 생성하고 관리하기 위한 클래스나 라이브러리를 제공합니다. 예를 들어, Java의 Thread 클래스나 Kotlin의 코루틴을 사용하면 멀티스레딩 작업을 쉽게 구현할 수 있습니다.
2. 스레드 풀(Thread Pool): 스레드를 무작정 생성하는 대신, 미리 일정 수의 스레드를 만들어 작업을 분배하는 방법입니다. 스레드 풀을 사용하면 스레드 생성과 소멸에 따르는 오버헤드를 줄이고, 자원을 효율적으로 관리할 수 있습니다.
3. 동기화 도구(Synchronization Primitives): 여러 스레드가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 뮤텍스(Mutex), 락(Lock), 세마포어(Semaphore)와 같은 동기화 도구가 사용됩니다. 이러한 도구를 통해 스레드 간의 충돌을 방지하고, 자원을 안전하게 보호할 수 있습니다.