# 멀티스레

## 개요

멀티스레(Multithreading은 하나의 프로스 내에서 여러의 스레드)를 동시에 실행하여로그램의 성과 반응성을상시키는 병렬팅 기법입니다 각 스레드 독립적인 실행 흐을 가지며, 프로세스의모리 공간과원을 공유으로써 효율적인 공유와 통신 가능합니다. 멀스레딩은 현 소프트웨어 개발에서 매우 중요한 개념으로, 특히 다중 코어 프로세서 환경에서 성능 극대화를 위해 널리 사용됩니다.

멀티스레딩은 주로 CPU 사용률을 높이고, I/O 대기 시간을 줄이며, 사용자 인터페이스의 반응성을 개선하는 데 활용됩니다. 예를 들어, 웹 브라우저는 한 스레드에서 웹 페이지를 렌더링하고 다른 스레드에서 자바스크립트를 실행하거나 네트워 요청을 처리함으로써 전체적인 성능을 향상시킵.

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## 스레드의 개념

### 스레드란?

스레드는 프로세스 내에서 실행되는 최소한의 작업 단위입니다. 하나의 프로세스는 하나 이상의 스레드를 포함할 수 있으며, 각 스레드는 독립적인 프로그램 카운터, 스택, 레지스터 상태를 가지지만, 코드, 데이터, 힙 메모리 등은 프로세스 내의 다른 스레드와 공유합니다.

### 스레드와 프로세스의 차이

| 구분 | 스레드 | 프로세스 |
|------|-------|----------|
| 자원 공유 | 같은 프로세스 내 스레드는 메모리, 파일 디스크립터 등을 공유 | 각 프로세스는 독립된 메모리 공간과 자원을 가짐 |
| 생성 비용 | 낮음 (스택만 새로 할당) | 높음 (전체 메모리 공간 복제 필요) |
| 통신 | 공유 메모리를 통해 직접 통신 가능 | IPC(Inter-Process Communication) 필요 |
| 격리성 | 낮음 (한 스레드의 오류가 전체 프로세스에 영향) | 높음 (프로세스 간 격리됨) |

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## 멀티스레딩의 종류

### 1. 프로세스 기반 병렬 처리 vs 스레드 기반 병렬 처리

- **프로세스 기반**: 각 작업이 독립된 프로세스로 실행되며, 메모리 격리가 강력하지만 통신 오버헤드가 큼.
- **스레드 기반**: 같은 프로세스 내에서 여러 스레드가 실행되어 자원 공유가 용이하지만, 동기화 문제 발생 가능.

### 2. 사용자 스레드(User-level Thread)와 커널 스레드(Kernel-level Thread)

- **사용자 스레드**: 운영체제 커널이 인식하지 못하는 스레드로, 사용자 공간에서 스케줄링됨. 빠르지만, 한 스레드가 블로킹되면 전체 프로세스가 멈출 수 있음.
- **커널 스레드**: 커널이 직접 관리하는 스레드로, 블로킹 작업에도 다른 스레드가 실행될 수 있음. 성능은 다소 낮을 수 있으나 안정성이 높음.

대부분의 현대 운영체제는 **하이브리드 모델**(1:1 또는 M:N 매핑)을 사용하여 두 방식의 장점을 결합합니다.

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## 멀티스레딩의 장점과 단점

### 장점

- **성능 향상**: 다중 코어 CPU를 효율적으로 활용하여 작업을 병렬 처리.
- **반응성 향상**: GUI 애플리케이션에서 백그라운드 작업(예: 파일 다운로드)을 별도 스레드에서 수행하면 UI가 멈추지 않음.
- **자원 공유 용이**: 같은 프로세스 내 스레드는 메모리와 자원을 쉽게 공유.
- **경제성**: 프로세스 생성보다 스레드 생성이 자원 소모가 적음.

### 단점

- **동기화**: 공유 자원에 대한 동시 접근으로 인해 **경쟁 조건**(Race Condition) 발생 가능.
- **데드락**(Deadlock): 두 개 이상의 스레드가 서로를 기다리며 영원히 대기 상태에 빠짐.
- **디버깅 난이도 증가**: 비결정적 행동으로 인해 재현과 분석이 어려움.
- **스레드 안전성**: 모든 함수나 객체가 멀티스레드 환경에서 안전하게 작동하지는 않음.

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## 멀티스레딩 구현 기술

### 1. 동기화 메커니즘

공유 자원의 안전한 접근을 보장하기 위해 다음과 같은 기법이 사용됩니다:

- **뮤텍스**(Mutex): 한 번에 하나의 스레드만 접근을 허용.
- **세마포어**(Semaphore): 특정 개수의 스레드만 자원에 접근하도록 제한.
- **모니터**(Monitor): 언어 수준에서 제공하는 동기화 구조 (예: Java의 `synchronized` 블록).
- **원자 연산**(Atomic Operations): CPU가 제공하는 비분리 연산으로 경쟁 조건 방지.

### 2. 프로그래밍 언어 지원

- **Java**: `Thread` 클래스와 `Runnable` 인터페이스 제공. `java.util.concurrent` 패키지로 고수준 동시성 유틸리티 제공.
- **C++**: C++11부터 `<thread>` 라이브러리 도입. `std::thread`, `std::mutex` 등 사용 가능.
- **Python**: `threading` 모듈 제공. 하지만 GIL(Global Interpreter Lock)로 인해 CPU 바운드 작업에서는 진정한 병렬성을 제공하지 못함.
- **Go**: 경량 스레드인 **고루틴**(Goroutine)과 `channel`을 통해 간편한 동시성 프로그래밍 가능.

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## 활용 사례

- **서버 애플리케이션**: 웹 서버는 각 클라이언트 요청을 별도 스레드에서 처리하여 동시 접속을 지원.
- **게임 엔진**: 렌더링, 물리 연산, AI 계산 등을 별도 스레드에서 수행.
- **데이터 처리 시스템**: 대량의 데이터를 여러 스레드로 분할하여 병렬 처리 (예: MapReduce).
- **실시간 시스템**: 타이머, 센서 데이터 수집 등 실시간 작업을 별도 스레드 처리.

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## 참고 자료 및 관련 문서

- [POSIX Threads (Pthreads)](https://en.wikipedia.org/wiki/POSIX_Threads)
- [Java Concurrency Tutorial – Oracle](https://docs.oracle.com/javase/tutorial/essential/concurrency/)
- Tanenbaum, A. S., & Bos, H. (2015). *Modern Operating Systems*. Pearson.
- Goetz, B. et al. (2006). *Java Concurrency in Practice*. Addison-Wesley.

멀티스레딩은 병렬 컴퓨팅의 핵심 기술로, 올바르게 사용하면 시스템 성능을 크게 향상시킬 수 있으나, 동기화 및 스레드 안전성 문제를 신중히 고려해야 합니다.