컴퓨팅에서 스레드 이해하기: 개발자를 위한 실용 가이드
Source: Dev.to
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스레드란 무엇인가?
스레드는 운영 체제에 의해 스케줄될 수 있는 가장 작은 실행 단위입니다. 이는 프로세스 내에서 독립적으로 실행될 수 있는 명령어 시퀀스를 나타냅니다.
핵심 포인트
- 프로세스는 실행 중인 프로그램의 인스턴스입니다.
- 스레드는 해당 프로세스 내부의 실행 경로입니다.
- 하나의 프로세스는 여러 스레드를 포함할 수 있습니다.
프로세스를 자원을 소유하는 컨테이너로, 스레드는 그 자원을 사용해 코드를 실행하는 작업자라고 생각하면 됩니다.
프로세스 vs 스레드
프로세스와 스레드의 차이를 이해하는 것은 매우 중요합니다.
프로세스
- 자체 가상 주소 공간을 가짐
- 시스템 자원(메모리, 파일 핸들, 소켓)을 소유
- 생성 및 파괴에 비용이 많이 듦
- 다른 프로세스와 격리됨
스레드
- 프로세스 주소 공간을 공유
- 같은 프로세스 내 다른 스레드와 자원을 공유
- 프로세스에 비해 가벼움
- 공유 메모리에 직접 접근 가능
이 공유 메모리 모델은 강력하지만, 많은 동시성 버그의 원인이 되기도 합니다.
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스레드가 존재하는 이유
스레드는 소프트웨어 설계에서 실용적인 문제들을 해결하기 위해 존재합니다:
- 병렬성 – 멀티코어 CPU에서 스레드는 실제 병렬 실행을 가능하게 합니다. 여러 스레드가 서로 다른 코어에서 동시에 실행될 수 있어 처리량이 증가하고 실행 시간이 감소합니다.
- 반응성 – 인터랙티브 애플리케이션에서 스레드는 시스템의 반응성을 유지합니다.
- 하나의 스레드는 사용자 입력을 처리하고
- 다른 스레드는 백그라운드 작업을 수행합니다.
스레드가 없으면 오래 걸리는 작업이 전체 프로그램을 차단하게 됩니다.
- 자원 활용 – 스레드는 특히 작업이 대기(I/O, 네트워크, 디스크 작업)를 포함할 때 CPU 자원을 효율적으로 활용하도록 돕습니다.
스레드 수명 주기
- New – 스레드가 생성되었지만 아직 시작되지 않음
- Runnable – 스레드가 실행 준비가 되었으며 CPU 시간을 기다리고 있음
- Running – 스레드가 현재 CPU에서 실행 중임
- Blocked / Waiting – 스레드가 자원이나 이벤트를 기다리고 있음
- Terminated – 스레드가 실행을 마침
운영 체제의 스케줄러가 이러한 상태 간 전환을 제어합니다.
운영 체제가 스레드를 관리하는 방법
스케줄링
OS 스케줄러는 다음을 결정합니다:
- 어떤 스레드가 실행될지
- 어느 CPU 코어에서 실행될지
- 얼마나 오래 실행될지
현대 스케줄러는 선점형 멀티태스킹을 사용합니다. 즉, 실행 중인 스레드가 중단되어 다른 스레드에 CPU 시간을 할당할 수 있습니다.
컨텍스트 스위칭
CPU가 한 스레드에서 다른 스레드로 전환될 때 컨텍스트 스위치가 수행됩니다:
- 현재 스레드의 레지스터와 상태를 저장
- 다음 스레드의 상태를 로드
컨텍스트 스위칭은 빠르지만 비용이 없습니다. 과도한 스위칭은 성능에 악영향을 줄 수 있습니다.
사용자 수준 스레드 vs 커널 스레드
커널 스레드
- 운영 체제에 의해 직접 관리됨
- 여러 코어에서 실제로 병렬 실행 가능
- 오버헤드가 높음
사용자 수준 스레드
- 런타임이나 라이브러리에서 관리됨
- 생성 및 전환이 더 빠름
- OS 스케줄링 모델에 의해 제한됨
많은 현대 런타임(JVM이나 Go 등)은 하이브리드 방식을 사용합니다.
공유 메모리와 동기화
스레드가 메모리를 공유하기 때문에 동기화가 필요하며, 이는 데이터 손상을 방지합니다.
일반적인 문제
- 레이스 컨디션 – 여러 스레드가 공유 데이터를 동시에 수정
- 데드락 – 스레드가 서로 무한히 기다림
- 기아 현상 – 스레드가 CPU 시간을 전혀 할당받지 못함
- 데이터 불일치 – 부분 업데이트가 다른 스레드에 보임
동기화 도구
- 뮤텍스(잠금)
- 세마포어
- 조건 변수
- 원자 연산
- 읽기‑쓰기 잠금
올바른 동기화는 필수적이지만 구현하기 어렵습니다.
스레드 안전성
코드 조각이 스레드‑안전(thread‑safe) 하다는 것은 여러 스레드가 동시에 접근하더라도 올바르게 동작한다는 의미입니다.
스레드‑안전 설계 원칙
- 공유 상태 최소화
- 불변성 선호
- 임계 구역을 작게 유지
- 가능한 경우 락 사용을 피함
스레드 안전은 자동으로 보장되지 않으며, 의도적으로 설계해야 합니다.
Performance Considerations
스레드는 성능을 향상시킬 수 있지만, 잘못 사용하면 시스템이 느려질 수 있습니다.
Common Mistakes
- 너무 많은 스레드 생성
- 락을 과도하게 사용
- 스레드를 불필요하게 차단
- 캐시 일관성 효과 무시
A good rule: more threads does not automatically mean better performance.
스레드 vs 비동기 프로그래밍
스레드가 유일한 동시성 모델은 아닙니다.
스레드
- 공유 메모리
- 선점 스케줄링
- 복잡한 동기화
비동기 / 이벤트 기반 모델
- 협력 스케줄링
- 명시적 상태 머신
- I/O 중심 작업에 대한 낮은 오버헤드
현대 시스템은 종종 두 접근 방식을 결합합니다.
실제 사용 사례
- 웹 서버(요청 처리)
- 데이터베이스(쿼리 실행)
- 게임 엔진(렌더링, 물리, AI)
- 운영 체제
- 컴파일러 및 빌드 시스템
개발자를 위한 모범 사례
- 언어의 메모리 모델을 이해하세요
- 최적화하기 전에 성능을 측정하세요
- 영리함보다 단순함을 선호하세요
- 가능한 경우 고수준 동시성 추상화를 사용하세요
- 동시성을 다루세요
동시성 버그는 설계 결함이며, 엣지 케이스가 아니다
결론
스레드는 현대 컴퓨팅의 근본적인 구성 요소입니다. 스레드는 병렬성, 응답성 및 효율적인 자원 사용을 가능하게 하지만, 복잡성과 위험도 초래합니다. 스레드를 마스터하려면 스레드를 생성하는 방법뿐만 아니라 메모리, 운영 체제 및 서로와 어떻게 상호 작용하는지를 이해해야 합니다.
스레드를 깊이 이해하는 개발자는 빠르고 확장 가능하며 정확한 시스템을 설계할 수 있는 능력이 더 뛰어납니다. 고성능 소프트웨어를 작성하려는 목표가 있다면, 스레드는 선택적인 지식이 아니라 필수적인 요소입니다.