C++ 멀티스레드 프로그래밍

멀티스레드 프로그래밍은 현대 소프트웨어 개발에서 필수적인 기술로, 다수의 작업을 병렬로 처리하여 프로그램의 성능을 극대화합니다. 이번 포스팅에서는 C++에서 멀티스레드 프로그래밍의 기초 개념과 함께 실용적인 예제를 소개합니다.

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멀티스레드 프로그래밍이란?

멀티스레드 프로그래밍은 하나의 프로세스 내에서 여러 스레드를 생성하여 동시에 실행하는 방식을 말합니다. 각각의 스레드는 프로세스의 메모리를 공유하므로, 통신과 데이터 교환이 간편하지만 동기화 문제가 발생할 수 있습니다.

멀티스레드의 장점

• 성능 향상: CPU의 여러 코어를 활용하여 병렬 처리로 작업 시간을 단축.
• 응답성 증가: GUI 프로그램의 경우, 메인 스레드와 백그라운드 스레드를 분리해 사용자 경험 개선.
• 리소스 공유: 스레드 간 메모리를 공유하여 효율적으로 자원을 활용.

멀티스레드의 단점

• 동기화 문제: 공유 자원 접근 시, 데이터 충돌 발생 가능.
• 디버깅 어려움: 병렬 처리는 디버깅과 테스트를 어렵게 만듦.
• 복잡성 증가: 설계와 구현이 복잡해질 수 있음.

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C++에서의 멀티스레드 구현

C++11부터는 <thread> 헤더를 통해 표준 라이브러리 수준에서 멀티스레드를 지원합니다. 이외에도 동기화를 위한 여러 유틸리티가 제공됩니다.

주요 헤더 파일

• <thread>: 스레드 생성 및 관리.
• <mutex>: 상호 배제를 위한 뮤텍스 제공.
• <condition_variable>: 스레드 간 통신을 위한 조건 변수.
• <atomic>: 원자적 연산 지원.

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예제 1: 기본 스레드 생성

#include <iostream>
#include <thread>

void printMessage(const std::string& message) {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout << message << " (" << i + 1 << ")\n";
    }
}

int main() {
    std::thread t1(printMessage, "Thread 1");
    std::thread t2(printMessage, "Thread 2");

    // 스레드 종료 대기
    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "Main thread finished.\n";
    return 0;
}

설명

• std::thread 객체를 사용하여 새로운 스레드를 생성.
• join()을 호출하여 스레드가 종료될 때까지 대기.

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예제 2: 뮤텍스를 사용한 동기화

스레드 간 공유 자원 접근 시, 뮤텍스를 사용하여 데이터 무결성을 보장할 수 있습니다.

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex mtx;
int counter = 0;

void incrementCounter() {
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        ++counter;
    }
}

int main() {
    std::thread t1(incrementCounter);
    std::thread t2(incrementCounter);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "Final counter value: " << counter << "\n";
    return 0;
}

설명

• std::mutex 객체로 공유 자원 보호.
• std::lock_guard는 자동으로 뮤텍스를 잠그고 해제하여 코드 안전성을 높임.

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예제 3: 조건 변수를 사용한 스레드 간 통신

조건 변수는 특정 조건이 충족될 때까지 스레드를 대기 상태로 유지하는 데 유용합니다.

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void workerThread() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, [] { return ready; });

    std::cout << "Worker thread is processing data...\n";
}

int main() {
    std::thread t(workerThread);

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        ready = true;
    }
    cv.notify_one();

    t.join();
    return 0;
}

설명

• std::condition_variable을 사용하여 특정 조건이 충족될 때까지 스레드를 대기 상태로 유지.
• notify_one()로 대기 중인 스레드를 깨움.

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멀티스레드 프로그래밍 시 주의 사항

1. 데드락 방지: 뮤텍스를 잘못 사용하면 교착 상태가 발생할 수 있음.
2. 경합 조건(Race Condition): 동기화 없이 공유 자원에 접근하면 예기치 않은 결과가 발생.
3. 적절한 스레드 수: 스레드가 많아지면 오히려 성능 저하 가능.
4. 디버깅 도구 활용: 멀티스레드 디버깅은 복잡하므로 전용 도구 사용 추천.

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결론

이번 포스팅에서는 C++에서 멀티스레드 프로그래밍의 기본 개념과 주요 예제를 살펴보았습니다. 멀티스레드는 성능을 극대화할 수 있는 강력한 도구이지만, 동기화와 설계의 복잡성을 잘 이해하고 활용해야 합니다.