[C언어] 20강 쓰레드(1)

강지원·2025년 1월 27일

리눅스 기반 C언어

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1. 쓰레드란?

정의: 쓰레드는 프로세스 내에서 실행되는 하나의 독립적인 실행 흐름이다. 한 프로세스 내에 여러 쓰레드가 생성되어 병렬적으로 실행되는 것처럼 보일 수 있다.

특징:

프로세스 내의 메모리와 자원을 공유한다.
독립적인 실행 흐름을 가지므로 병렬 처리가 가능하다.
CPU 스케줄링과 컨텍스트 스위칭을 통해 실행된다.

2. 운영체제와 쓰레드

운영체제의 역할

운영체제는 쓰레드 실행을 관리한다. 이를 위해 스케줄러와 메모리 관리, 자원 보호 메커니즘을 제공한다.
운영체제 없이 쓰레드를 구현하는 것은 불가능하다.
임베디드 시스템에서는 간단한 작업만 처리하는 경우 운영체제 없이도 코드를 직접 실행할 수 있지만, 이 경우 쓰레드처럼 멀티태스킹을 구현하려면 타이머 인터럽트와 같은 하드웨어 기반 방식으로 유사하게 동작하도록 직접 구현해야 한다.

임베디드 시스템에서 동작

플래시 메모리에 프로그램 코드가 저장되어 있다.
부팅 시 부트코드 실행 → 마지막에 main() 함수로 점프.
main()의 while(1) 루프에서 주기적인 작업이 실행된다.
운영체제를 사용하는 임베디드 시스템에서는 RTOS(Real-Time Operating System)가 쓰레드 관리와 스케줄링을 수행한다.

3. 프로세스와 쓰레드의 차이

구분	프로세스	쓰레드
정의	실행 중인 프로그램의 독립된 인스턴스	프로세스 내의 독립적인 실행 흐름
메모리	고유의 메모리 공간 사용	프로세스 내의 자원 및 메모리 공간 공유
독립성	각 프로세스는 독립적이며 다른 프로세스에 영향을 미치지 않음	쓰레드는 프로세스 내의 다른 쓰레드와 영향을 주고받음
속도	생성/종료 시 오버헤드가 크고 느림	생성/종료가 상대적으로 가볍고 빠름
예시	계산기, 그림판과 같은 독립 애플리케이션	파일 읽기, 네트워크 요청 등 세부 작업 분할

4. 동기화: Mutex (뮤텍스)

뮤텍스(Mutex)

문제 상황:

여러 쓰레드가 동일한 자원(A 변수)을 동시에 접근하면 데이터 무결성 문제가 발생.
ex) th1이 변수 A를 처리 중일 때, 컨텍스트 스위칭이 발생하여 th2가 동일한 A를 변경하면 th1에 다시 돌아왔을 때 값이 예기치 않게 변경될 수 있다.

해결 방법:

뮤텍스(Mutex): 쓰레드 간 자원 접근을 동기화하여 순서를 제어.
th1이 A에 Lock을 걸면, 다른 쓰레드(th2)는 대기 상태가 됨.
th1이 작업을 끝낸 후 Unlock을 하면, 대기 중인 th2가 접근 가능.

Deadlock(교착 상태)

쓰레드가 Lock을 걸고 나서 Unlock을 호출하지 않거나 다른 자원의 Lock을 기다리다 서로 대기 상태에 빠질 경우 Deadlock이 걸린다.

해결책:
타임아웃 설정: 일정 시간이 지나면 Lock을 강제로 해제.
교착 상태 회피 알고리즘: 자원 요청 순서를 정하거나 우선순위를 설정.

5. 쓰레드 메모리 관리

메모리 누수 (Memory Leak):
쓰레드가 사용한 메모리를 제대로 반환하지 않으면 메모리 누수가 발생. 이는 시스템 성능 저하 및 실행 중단의 원인이 됨.

예방:
자원을 사용 후 반드시 해제 (free() 등).
자동화된 메모리 관리 도구(스마트 포인터 등)를 사용하는 것도 고려.

6. 쓰레드 간단한 예제

1) 쓰레드 1개 만들기

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

int a=0;
void * thread1(void * arg){     //함수형은 상관없음

        printf("arg : %d\n", (int)arg);

        while(1){

                printf("thread1 a[%d]\n",++a);
                sleep(2);
        }

        return NULL;
}

int main(){

        pthread_t s_thread;
        int b = 88;
        
        pthread_create(&s_thread,NULL,thread1,(void *)b);
        pthread_join(s_thread,NULL);
}

실행결과

$ gcc thread.c -lpthread

pthread 라이브러리 참조해줘야 함.

join을 해야 쓰레드가 돌아가는 것을 main이 기다려준다.

2) 쓰레드 2개 사용, join 말고 while 사용

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

int a=0;
void * thread1(void * arg){     //함수형은 상관없음

        printf("arg : %d\n", (int)arg);

        while(1){

                printf("thread%d a[%d]\n",(int)arg,++a);
                sleep(2);
        }

        return NULL;
}

int main(){

        pthread_t s_thread[2];
        int id1 = 77;
        int id2 = 88;

        pthread_create(&s_thread[0],NULL,thread1,(void *)id1);
        pthread_create(&s_thread[1],NULL,thread1,(void *)id2);
        while(1){
       			printf("main loop");
                sleep(1);
        }
        //pthread_join(s_thread[0],NULL);
        //pthread_join(s_thread[1],NULL);
}

이런식으로 하면 쓰레드가 3개가 돌아가는 것이다.

3) 뮤텍스 사용

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

int a=0;
pthread_mutex_t mutex;

void * thread1(void * arg){    

        printf("arg : %d\n", (int)arg);
        while(1){
                pthread_mutex_lock(&mutex);      //lock
                printf("thread%d a[%d]\n",(int)arg,++a);
                pthread_mutex_unlock(&mutex);    //unlock
                sleep(2);
        }

        return NULL;
}

int main(){

        pthread_t s_thread[2];
        int id1 = 77;
        int id2 = 88;

        pthread_mutex_init(&mutex,NULL);  //NULL = fast

        pthread_create(&s_thread[0],NULL,thread1,(void *)id1);
        pthread_create(&s_thread[1],NULL,thread1,(void *)id2);

        while(1){

                printf("main loop\n");
                sleep(1);
        }
        //pthread_join(s_thread[0],NULL);
        //pthread_join(s_thread[1],NULL);
}