[Deep Dive] 쓰레드와 병렬 프로그래밍 - 1탄 개념 이해

정글 8주차에 웹서버를 구현하다 보니 쓰레드를 사용해서 병렬 처리를 해야 했다. 그래서 당장 구현을 할 수준으로만 이해를 한 뒤 구현을 끝낸 지금 다시 쓰레드에 대해 깊게 이해를 하려고 한다. 그래서 이번 Deep Dive에서는 프로세스가 아닌 쓰레드를 주로 다룰 생각이다.

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1. 프로세스 vs 쓰레드 차이

프로세스(Process)

• 정의: 실행 중인 프로그램. 운영체제로부터 독립된 주소 공간, 자원(File descriptor, Stack, Heap 등)을 부여받음.
• 특징:
  • 각각의 프로세스는 커널에서 독립적으로 관리됨 (PID, 메모리 맵 등).
  • 프로세스 간 데이터 공유가 어렵다 (보통 IPC, Shared Memory, Pipe 등 필요).
  • 생성/문맥전환 비용이 큼 (Context switch: PCB 저장/복원 포함).

쓰레드(Thread)

• 정의: 프로세스 내에서 실행되는 작업 단위. 하나의 프로세스 내에서 여러 실행 흐름을 가능하게 함.
• 특징:
  • 같은 프로세스 내 쓰레드끼리는 코드, 데이터(힙), 열린 파일 디스크립터 등 공유.
  • 하지만 각 쓰레드는 별도의 스택 공간과 레지스터 상태를 가짐.
  • 생성/문맥전환 비용이 프로세스보다 작음.

항목	프로세스	쓰레드
주소 공간	각각 독립	동일 주소 공간 공유
힙/데이터	각각 소유	공유
스택	각자 소유	각 쓰레드마다 개별 스택
생성 비용	높음 (fork)	낮음 (pthread_create 등)
통신 방식	IPC 등 별도 기법 필요	전역 변수로 간단히 가능

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2. 쓰레드 생성과 종료

∙ pthread_create

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                   void *(*start_routine)(void *), void *arg);

• thread: 생성된 쓰레드의 ID를 반환.
  • 원형 : pthread_t *thread; 
  • 생성된 쓰레드의 ID가 이 변수에 저장된다. 추후 pthread_join() 또는 pthread_detach() 시 사용된다.
  • 예: pthread_t tid;
• attr: 쓰레드 속성 (NULL이면 기본값 사용).
  • 원형 : const pthread_attr_t *attr
  • 쓰레드의 속성(스택 크기, 스케줄링 정책 등)을 설정한다.
  • 대부분의 경우 NULL을 넘겨서 기본 속성을 사용한다.
• start_routine: 쓰레드가 시작할 함수.
  • 원형 : void *(*start_routine)(void *)
  • 쓰레드가 실행할 함수의 포인터다. 함수는 반드시 void*를 인자로 받고 void*를 반환해야 한다.
  • 쓰레드는 이 함수의 실행이 끝나면 종료된다.
• arg: 함수에 전달할 인자.
  • 원형 : void *arg 
  • start_routine 에 넘길 인자다. 포인터형이므로 여러 값을 구조체로 묶어서 넘길 수 도 있다.
  • 함수 내부에서 int arg = *((int *)vargp);와 같이 사용한다.

반환값

• 성공 시 0
• 실패 시 에러 코드 (예: EINVAL, EAGAIN 등)

예시:

void* thread_func(void* arg) {
    printf("Hello from thread!\n");
    return NULL;
}

pthread_t tid;
pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);

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∙ pthread_exit

pthread_exit(NULL); // 종료, 반환값 없음

• 쓰레드의 종료 함수.
• main 함수가 끝나도 프로세스는 다른 쓰레드가 살아있으면 종료되지 않음.

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∙ pthread_join

void* result;
pthread_join(tid, &result);

• 특정 쓰레드가 끝날 때까지 기다림.
• 일반적으로 detach되지 않은 쓰레드에 대해 사용
• 반환값을 받아올 수 있음.

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∙ pthread_detach

pthread_detach(tid);

• 쓰레드를 독립적으로 실행되게 함.
• 자원 반환은 쓰레드가 끝날 때 자동으로 처리됨 (join 불가).
• 역할: 쓰레드를 detach 상태로 만듭니다. 이렇게 하면 쓰레드가 종료될 때 자원을 자동 회수하므로, pthread_join이 필요 없다.

❗ 일반적으로 join 또는 detach는 반드시 하나만 사용해야 함. 둘 다 안하면 리소스 누수 발생 (Zombie thread 현상).

3. 쓰레드 실행 흐름과 메모리 공유 구조

쓰레드 메모리 구조

같은 프로세스 내의 쓰레드들은 다음을 공유함:

• 코드 영역 (text segment): 실행 코드
• 힙 영역 (heap): 동적 할당 메모리
• 전역 변수 (data segment): static / global
• 파일 디스크립터: open된 파일 목록
• 환경변수 및 현재 디렉토리

반면, 아래 항목은 쓰레드마다 다름:

• 스택 (stack): 함수 호출, 지역 변수 저장
• 레지스터 상태: PC, SP, 등 CPU context

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4. 스택 공간은 쓰레드마다 다르다 (→ 지역 변수 주의!)

지역 변수는 스택에 저장된다

• 함수 내 지역 변수는 각 쓰레드의 스택에 위치하므로 서로 영향을 주지 않음.
• 따라서 각 쓰레드가 같은 함수를 실행해도, 지역 변수는 서로 독립.

void* thread_func(void* arg) {
    int local_var = *(int*)arg; // 각 쓰레드의 스택에 저장됨
    ...
}

→ *(int *)arg : 이 표현은 "포인터 형변환 + 역참조"를 한 것이다.

1. void* arg

• pthread_create로 쓰레드를 만들 때, 매개변수 하나를 전달할 수 있게 되어 있음.
• 그 매개변수는 void* 타입이어야 함. 왜냐하면 모든 포인터 타입을 담을 수 있는 범용 포인터이기 때문.
• 그래서 우리가 넘기는 포인터는 void*로 받게 됨.

2. (int *)arg

• arg는 void*니까 직접 접근할 수 없음. 형을 명확히 알려줘야 함.
• 예를 들어 int*를 넘겼다고 가정하면, 우리는 이렇게 캐스팅해야 함:

(int *)arg

이건 "arg를 int 포인터로 해석해라"는 뜻.

3. *(int *)arg

• 여기서 *는 역참조 연산자.
• 즉, 포인터가 가리키는 메모리 주소에 접근하겠다는 뜻.
• (int *)arg는 int*이고,
• 그걸 *로 역참조하면 → 실제 int 값에 접근하게 됨.

❗ 위험한 예: 지역 변수 주소를 다른 쓰레드에 넘김

void* start(void* arg) {
    int x = 42;
    return &x; // 위험: x는 쓰레드 종료 시 사라짐
}

• 쓰레드가 종료되면 스택도 해제되므로 &x는 Dangling Pointer가 됨.
• 안전하게 하려면 malloc 등으로 힙에 저장하거나 전역 변수 사용.

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이번 포스트에서는 C에서 쓰레드의 개념과 쓰레드를 사용하는 방법의 기초를 다뤘다. 다음 포스팅에서 동기화 기법에 대한 이해를 다루겠다. 물론 정해진 것은 아니다 중간에 모르는 부분이 있다면 해당 부분을 딥 다이브 할 것이다.