Programming/C

pthread의 이해와 구현: 멀티스레딩 프로그래밍의 기초

moxie2ks 2025. 4. 8. 18:01
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개요

pthread(POSIX 스레드)는 UNIX 계열 운영체제에서 병렬 프로그래밍을 위한 표준 API이다. 멀티코어 프로세서가 보편화된 현대 컴퓨팅 환경에서 pthread는 효율적인 병렬 처리를 구현하는 핵심 기술로 자리잡았다. 본 글에서는 pthread의 기본 개념부터 실제 구현 방법까지 살펴보고자 한다.

설명

pthread는 POSIX(Portable Operating System Interface) 표준의 일부로, 다양한 운영체제에서 일관된 스레드 프로그래밍 환경을 제공한다. 스레드는 프로세스 내에서 실행되는 독립적인 실행 흐름으로, 같은 프로세스 내의 스레드들은 메모리 공간을 공유한다. pthread 라이브러리는 스레드 생성, 동기화, 종료 등 스레드 관리에 필요한 다양한 함수를 제공한다.

pthread 라이브러리의 주요 함수들은 다음과 같다:

  • pthread_create(): 새로운 스레드 생성
  • pthread_join(): 스레드 종료 대기
  • pthread_exit(): 현재 스레드 종료
  • pthread_mutex_init(), pthread_mutex_lock(), pthread_mutex_unlock(): 뮤텍스를 통한 동기화
  • pthread_cond_init(), pthread_cond_wait(), pthread_cond_signal(): 조건 변수를 통한 동기화

특징

pthread의 주요 특징은 다음과 같다:

  1. 이식성: POSIX 표준을 준수하므로 다양한 시스템에서 동일한 코드로 동작한다.
  2. 효율성: 프로세스 생성보다 오버헤드가 적어 빠른 병렬 처리가 가능하다.
  3. 자원 공유: 같은 프로세스 내 스레드들은 메모리와 자원을 공유하여 통신이 용이하다.
  4. 동기화 메커니즘: 뮤텍스, 조건 변수, 세마포어 등 다양한 동기화 도구를 제공한다.
  5. 유연성: 스레드 속성(attribute)을 통한 다양한 스레드 특성 설정이 가능하다.

스레드 간 실행 순서는 운영체제의 스케줄러에 의해 결정되므로 예측할 수 없다. 따라서 공유 자원에 접근할 때는 적절한 동기화 기법이 필요하다.

예제

아래 예제는 5개의 스레드를 생성하여 각 스레드가 0부터 14까지 출력하는 간단한 프로그램이다.

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>

#define NUM_OF_THREAD 5

void *thread_function(void* ptr) {
    int thread_id = (int)ptr;
    for (int i=0; i<15; i++) {
        printf("[Thread %d] %d\n", thread_id, i);
    }
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t thread[NUM_OF_THREAD];

    // 스레드 생성
    for (int i=0; i<NUM_OF_THREAD; i++) {
        int ret = pthread_create(&thread[i], NULL, thread_function, (void*)i);
        if (ret) {
            printf("pthread_create() of thread[%d] failed(%d)\n", i, ret);
            exit(-1);
        } else {
            printf("pthread_create() of thread[%d] success(%d)\n", i, ret);
        }
    }

    // 스레드 종료 대기
    for (int i=0; i<NUM_OF_THREAD; i++) {
        int ret = pthread_join(thread[i], NULL);
        if (ret) {
            printf("pthread_join() of thread[%d] failed(%d)\n", i, ret);
            exit(-1);
        } else {
            printf("pthread_join() of thread[%d] success(%d)\n", i, ret);
        }
    }

    printf("Done.\n");
    return 0;
}

코드 분석:

  1. 헤더 파일 포함: pthread 라이브러리를 사용하기 위해 pthread.h를 포함한다.
  2. 스레드 함수 정의: thread_function()은 각 스레드에서 실행될 함수로, 매개변수로 스레드 ID를 받는다.
  3. 스레드 생성: pthread_create() 함수를 사용하여 5개의 스레드를 생성한다.
    • 첫 번째 매개변수: 스레드 식별자(ID)를 저장할 변수의 주소
    • 두 번째 매개변수: 스레드 속성(NULL은 기본 속성 사용)
    • 세 번째 매개변수: 스레드가 실행할 함수
    • 네 번째 매개변수: 스레드 함수에 전달할 인자
  4. 스레드 종료 대기: pthread_join() 함수로 모든 스레드가 종료될 때까지 대기한다.
  5. 스레드 종료: 각 스레드는 작업 완료 후 pthread_exit()를 호출하여 종료된다.

실행 결과는 5개 스레드가 동시에 실행되며 각자의 출력이 섞여서 나타난다. 스레드 간 실행 순서는 실행할 때마다 달라질 수 있다.

결론

pthread는 C/C++ 프로그래밍에서 병렬 처리를 구현하는 강력한 도구이다. 멀티코어 프로세서의 성능을 최대한 활용하고 응답성 높은 프로그램을 개발하기 위해서는 pthread와 같은 스레딩 라이브러리의 이해가 필수적이다. 다만, 스레드 프로그래밍은 경쟁 상태(race condition), 교착 상태(deadlock) 등 동시성 관련 문제가 발생할 수 있으므로 신중한 설계와 적절한 동기화 기법 적용이 중요하다.

더 복잡한 애플리케이션에서는 뮤텍스, 조건 변수, 세마포어 등의 동기화 메커니즘을 활용하여 스레드 간 안전한 자원 공유와 통신을 구현해야 한다.

참고 문헌

  1. POSIX 스레드 프로그래밍: https://computing.llnl.gov/tutorials/pthreads/
  2. Linux 프로그래밍 인터페이스: http://man7.org/tlpi/
  3. "33. 스레드 - 이해와 기본", POSIX 스레드 프로그래밍 가이드
  4. GNU C 라이브러리 pthread 문서: https://www.gnu.org/software/libc/manual/html_node/POSIX-Threads.html
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