C++ 멀티스레딩 마스터하기: 효율적인 동시 프로그래밍

멀티스레딩 개요

멀티스레딩은 멀티태스킹의 특수한 형태로, 멀티태스킹은 컴퓨터가 두 개 이상의 프로그램을 동시에 실행할 수 있게 하는 기능입니다. 멀티태스킹에는 프로세스 기반과 스레드 기반 두 가지 유형이 있습니다.

• 프로세스 기반 멀티태스킹: 프로그램들의 동시 실행을 관리
• 스레드 기반 멀티태스킹: 동일 프로그램 내 여러 조각의 동시 실행을 관리

멀티스레드 프로그램은 동시에 실행될 수 있는 두 개 이상의 부분을 포함하며, 각 부분을 스레드라고 하고 각 스레드는 별도의 실행 경로를 정의합니다.

C++에는 멀티스레드 애플리케이션에 대한 내장 지원이 없으며, 전적으로 운영체제에 의존합니다. 이 튜토리얼은 Linux OS를 기준으로 POSIX 스레드(Pthreads)를 사용합니다. Pthreads는 FreeBSD, NetBSD, GNU/Linux, macOS, Solaris 등 많은 유닉스 계열 POSIX 시스템에서 사용 가능한 API를 제공합니다.

스레드 생성

POSIX 스레드를 생성하는 루틴:

#include <pthread.h>
pthread_create(thread, attr, start_routine, arg)

pthread_create는 새 스레드를 생성하고 실행 가능하게 만듭니다. 코드 내 어디서든 여러 번 호출할 수 있습니다.

프로세스가 생성할 수 있는 최대 스레드 수는 구현에 따라 다릅니다. 생성된 스레드들은 동등하며 다른 스레드를 생성할 수 있습니다. 스레드 간에는 암묵적 계층 구조나 종속성이 없습니다.

스레드 종료

POSIX 스레드를 명시적으로 종료하는 루틴:

#include <pthread.h>
pthread_exit(status)

pthread_exit()는 스레드가 작업을 완료하고 더 이상 필요하지 않을 때 호출합니다. main()이 생성한 스레드들보다 먼저 끝나고 pthread_exit()으로 종료하면 다른 스레드들은 계속 실행됩니다. 그렇지 않으면 main() 종료 시 자동으로 종료됩니다.

예제: 5개 스레드 생성 및 종료

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>
using namespace std;

#define NUM_THREADS 5

void *PrintHello(void *threadid) {
    long tid = (long)threadid;
    cout << "Hello World! 스레드 ID, " << tid << endl;
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t threads[NUM_THREADS];
    int rc, i;
    
    for (i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
        cout << "main(): 스레드 생성 중, " << i << endl;
        rc = pthread_create(&threads[i], NULL, PrintHello, (void *)i);
        if (rc) {
            cout << "오류: 스레드 생성 불가, " << rc << endl;
            exit(-1);
        }
    }
    pthread_exit(NULL);
}

컴파일: g++ test.cpp -lpthread

실행 결과:

main() : creating thread, 0
main() : creating thread, 1
main() : creating thread, 2
main() : creating thread, 3
main() : creating thread, 4
Hello World! Thread ID, 0
Hello World! Thread ID, 1
Hello World! Thread ID, 2
Hello World! Thread ID, 3
Hello World! Thread ID, 4

스레드에 인자 전달

구조체를 사용해 여러 인자를 전달할 수 있습니다. 스레드 콜백은 void*를 가리키므로 모든 데이터 타입을 전달 가능합니다.

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>
using namespace std;

#define NUM_THREADS 5

struct thread_data {
    int thread_id;
    char *message;
};

void *PrintHello(void *threadarg) {
    struct thread_data *my_data = (struct thread_data *) threadarg;
    cout << "스레드 ID: " << my_data->thread_id;
    cout << " 메시지: " << my_data->message << endl;
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t threads[NUM_THREADS];
    struct thread_data td[NUM_THREADS];
    int rc, i;
    
    for (i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
        cout << "main(): 스레드 생성 중, " << i << endl;
        td[i].thread_id = i;
        td[i].message = "이것은 메시지";
        rc = pthread_create(&threads[i], NULL, PrintHello, (void *)&td[i]);
        if (rc) {
            cout << "오류: 스레드 생성 불가, " << rc << endl;
            exit(-1);
        }
    }
    pthread_exit(NULL);
}

스레드 조인 및 분리

스레드를 조인하거나 분리하는 두 루틴:

pthread_join(threadid, status)
pthread_detach(threadid)

pthread_join()은 지정된 스레드가 종료될 때까지 호출 스레드를 블록합니다. 스레드 생성 시 속성 중 하나로 조인 가능 또는 분리 상태가 정의됩니다. 조인 가능으로 생성된 스레드만 조인할 수 있으며, 분리된 스레드는 절대 조인할 수 없습니다.

예제: pthread_join으로 스레드 완료 대기

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;

#define NUM_THREADS 5

void *wait(void *t) {
    long tid = (long)t;
    sleep(1);
    cout << "스레드에서 대기 중" << endl;
    cout << "ID가 " << tid << "인 스레드 ... 종료" << endl;
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    int rc, i;
    pthread_t threads[NUM_THREADS];
    pthread_attr_t attr;
    void *status;
    
    // 스레드 속성 초기화 및 조인 가능 설정
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE);
    
    for (i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
        cout << "main(): 스레드 생성 중, " << i << endl;
        rc = pthread_create(&threads[i], &attr, wait, (void *)i);
        if (rc) {
            cout << "오류: 스레드 생성 불가, " << rc << endl;
            exit(-1);
        }
    }
    
    // 속성 해제 및 다른 스레드들 대기
    pthread_attr_destroy(&attr);
    for (i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
        rc = pthread_join(threads[i], &status);
        if (rc) {
            cout << "오류: 조인 불가, " << rc << endl;
            exit(-1);
        }
        cout << "Main: 스레드 ID " << i << " 완료";
        cout << " 종료 상태: " << status << endl;
    }
    cout << "Main: 프로그램 종료." << endl;
    pthread_exit(NULL);
}