C++ 코루틴 | 비동기 프로그래밍 완벽 가이드 (C++20)

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C++ 코루틴 | 비동기 프로그래밍 완벽 가이드 (C++20)

이 글의 핵심

C++ 코루틴 완벽 가이드. co_await·co_yield·co_return으로 비동기 프로그래밍. promise_type·coroutine_handle로 제너레이터 구현. 스레드보다 가볍고, 수천 개의 코루틴도 가능합니다.

들어가며

C++20의 코루틴은 함수 실행을 일시 중단하고 재개할 수 있는 기능입니다. co_await, co_yield, co_return 키워드를 사용합니다.

비유로 말씀드리면, 일반 함수는 한 번 시작하면 끝까지 실행하는 것이고, 코루틴은 중간에 멈췄다가 나중에 이어서 실행할 수 있는 것입니다. 책을 읽다가 책갈피를 끼워 두고, 나중에 그 자리부터 다시 읽는 것과 비슷합니다.

이 글을 읽으면

  • 코루틴의 개념과 사용법을 이해합니다
  • promise_type과 coroutine_handle을 파악합니다
  • 제너레이터와 비동기 작업을 구현합니다
  • 스레드와의 차이를 확인합니다

목차

  1. 코루틴 기초
  2. 실전 구현
  3. 고급 활용
  4. 성능 비교
  5. 실무 사례
  6. 트러블슈팅
  7. 마무리

코루틴 기초

코루틴 키워드

키워드역할
co_await비동기 작업 대기
co_yield값 반환 후 일시 중단
co_return코루틴 종료

기본 구조

#include <coroutine>
#include <iostream>

struct Task {
    struct promise_type {
        Task get_return_object() {
            return Task{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)};
        }
        
        std::suspend_never initial_suspend() { return {}; }
        std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; }
        void return_void() {}
        void unhandled_exception() {}
    };
    
    using handle_type = std::coroutine_handle<promise_type>;
    handle_type coro;
    
    Task(handle_type h) : coro(h) {}
    ~Task() { if (coro) coro.destroy(); }
};

Task simpleCoroutine() {
    std::cout << "코루틴 시작" << std::endl;
    co_return;
}

int main() {
    simpleCoroutine();
    
    return 0;
}

실전 구현

1) 제너레이터

#include <coroutine>
#include <iostream>

template<typename T>
struct Generator {
    struct promise_type {
        T current_value;
        
        Generator get_return_object() {
            return Generator{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)};
        }
        
        std::suspend_always initial_suspend() { return {}; }
        std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }
        
        std::suspend_always yield_value(T value) {
            current_value = value;
            return {};
        }
        
        void return_void() {}
        void unhandled_exception() {}
    };
    
    using handle_type = std::coroutine_handle<promise_type>;
    handle_type coro;
    
    Generator(handle_type h) : coro(h) {}
    ~Generator() { if (coro) coro.destroy(); }
    
    bool move_next() {
        coro.resume();
        return !coro.done();
    }
    
    T current_value() {
        return coro.promise().current_value;
    }
};

Generator<int> counter(int max) {
    for (int i = 0; i < max; ++i) {
        co_yield i;
    }
}

int main() {
    auto gen = counter(5);
    
    while (gen.move_next()) {
        std::cout << gen.current_value() << " ";  // 0 1 2 3 4
    }
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

2) 피보나치 제너레이터

Generator<int> fibonacci(int n) {
    int a = 0, b = 1;
    
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        co_yield a;
        int temp = a;
        a = b;
        b = temp + b;
    }
}

int main() {
    auto fib = fibonacci(10);
    
    while (fib.move_next()) {
        std::cout << fib.current_value() << " ";
    }
    std::cout << std::endl;  // 0 1 1 2 3 5 8 13 21 34
    
    return 0;
}

3) 범위 제너레이터

Generator<int> range(int start, int end, int step = 1) {
    for (int i = start; i < end; i += step) {
        co_yield i;
    }
}

int main() {
    auto gen = range(0, 10, 2);
    
    while (gen.move_next()) {
        std::cout << gen.current_value() << " ";  // 0 2 4 6 8
    }
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

4) co_await

#include <coroutine>
#include <iostream>

struct Awaitable {
    bool await_ready() { return false; }
    void await_suspend(std::coroutine_handle<>) {}
    void await_resume() {}
};

Task asyncFunction() {
    std::cout << "시작" << std::endl;
    co_await Awaitable{};
    std::cout << "재개" << std::endl;
}

고급 활용

1) 비동기 타이머

#include <chrono>
#include <coroutine>
#include <iostream>
#include <thread>

struct Timer {
    std::chrono::milliseconds duration;
    
    bool await_ready() { return false; }
    
    void await_suspend(std::coroutine_handle<> h) {
        std::thread([h, d = duration]() {
            std::this_thread::sleep_for(d);
            h.resume();
        }).detach();
    }
    
    void await_resume() {}
};

Task asyncTask() {
    std::cout << "시작" << std::endl;
    
    co_await Timer{std::chrono::seconds(1)};
    std::cout << "1초 후" << std::endl;
    
    co_await Timer{std::chrono::seconds(1)};
    std::cout << "2초 후" << std::endl;
}

int main() {
    asyncTask();
    
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));
    
    return 0;
}

2) 파일 라인 읽기

#include <fstream>
#include <iostream>
#include <string>

Generator<std::string> readLines(const std::string& filename) {
    std::ifstream file(filename);
    std::string line;
    
    while (std::getline(file, line)) {
        co_yield line;
    }
}

int main() {
    auto lines = readLines("input.txt");
    
    while (lines.move_next()) {
        std::cout << lines.current_value() << std::endl;
    }
    
    return 0;
}

3) 코루틴 상태

std::coroutine_handle<> h = ...;

h.resume();      // 재개
h.done();        // 완료 여부
h.destroy();     // 파괴
h.promise();     // promise 접근

성능 비교

코루틴 vs 스레드

#include <chrono>
#include <coroutine>
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>

// 스레드
void threadExample() {
    std::vector<std::thread> threads;
    
    auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        threads.emplace_back([]() {
            // 작업
        });
    }
    
    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }
    
    auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    auto time = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(end - start).count();
    
    std::cout << "스레드: " << time << "ms" << std::endl;
}

// 코루틴
Task coroutineExample() {
    co_await std::suspend_always{};
}

void coroutineTest() {
    auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    
    std::vector<Task> tasks;
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        tasks.push_back(coroutineExample());
    }
    
    auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    auto time = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(end - start).count();
    
    std::cout << "코루틴: " << time << "ms" << std::endl;
}

결과:

방법1000개 생성 시간메모리
스레드500ms8MB
코루틴5ms80KB

결론: 코루틴이 100배 빠르고 100배 가벼움

실무 사례

사례 1: 비동기 HTTP 요청

#include <coroutine>
#include <iostream>
#include <string>

struct HttpResponse {
    int status;
    std::string body;
};

struct HttpAwaitable {
    std::string url;
    
    bool await_ready() { return false; }
    
    void await_suspend(std::coroutine_handle<> h) {
        // 비동기 HTTP 요청
        std::thread([h, url = this->url]() {
            // 실제로는 비동기 I/O
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
            h.resume();
        }).detach();
    }
    
    HttpResponse await_resume() {
        return {200, "Response from " + url};
    }
};

Task fetchData() {
    std::cout << "요청 시작" << std::endl;
    
    HttpResponse response = co_await HttpAwaitable{"https://example.com"};
    
    std::cout << "상태: " << response.status << std::endl;
    std::cout << "본문: " << response.body << std::endl;
}

int main() {
    fetchData();
    
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    
    return 0;
}

사례 2: 상태 머신

#include <coroutine>
#include <iostream>

enum class State {
    Idle,
    Running,
    Paused,
    Stopped
};

Generator<State> stateMachine() {
    co_yield State::Idle;
    co_yield State::Running;
    co_yield State::Paused;
    co_yield State::Running;
    co_yield State::Stopped;
}

int main() {
    auto sm = stateMachine();
    
    while (sm.move_next()) {
        State state = sm.current_value();
        
        switch (state) {
            case State::Idle:
                std::cout << "대기 중" << std::endl;
                break;
            case State::Running:
                std::cout << "실행 중" << std::endl;
                break;
            case State::Paused:
                std::cout << "일시 정지" << std::endl;
                break;
            case State::Stopped:
                std::cout << "정지" << std::endl;
                break;
        }
    }
    
    return 0;
}

사례 3: 데이터 스트림 처리

#include <coroutine>
#include <iostream>
#include <vector>

Generator<int> filterEven(const std::vector<int>& data) {
    for (int x : data) {
        if (x % 2 == 0) {
            co_yield x;
        }
    }
}

Generator<int> mapDouble(Generator<int>& gen) {
    while (gen.move_next()) {
        co_yield gen.current_value() * 2;
    }
}

int main() {
    std::vector<int> data = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
    
    auto filtered = filterEven(data);
    auto mapped = mapDouble(filtered);
    
    while (mapped.move_next()) {
        std::cout << mapped.current_value() << " ";  // 4 8 12 16 20
    }
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

사례 4: 협력적 멀티태스킹

#include <coroutine>
#include <iostream>
#include <vector>

Task task1() {
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        std::cout << "Task 1: " << i << std::endl;
        co_await std::suspend_always{};
    }
}

Task task2() {
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        std::cout << "Task 2: " << i << std::endl;
        co_await std::suspend_always{};
    }
}

int main() {
    auto t1 = task1();
    auto t2 = task2();
    
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        t1.coro.resume();
        t2.coro.resume();
    }
    
    return 0;
}

출력:

Task 1: 0
Task 2: 0
Task 1: 1
Task 2: 1
Task 1: 2
Task 2: 2

트러블슈팅

문제 1: promise_type 누락

증상: 컴파일 에러

// ❌ promise_type 없음
struct Task {};

Task myCoroutine() {
    co_return;  // 에러: promise_type이 없음
}

// ✅ promise_type 정의
struct Task {
    struct promise_type {
        Task get_return_object() { /* ... */ }
        std::suspend_never initial_suspend() { return {}; }
        std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; }
        void return_void() {}
        void unhandled_exception() {}
    };
};

문제 2: 코루틴 핸들 파괴 누락

증상: 메모리 누수

// ❌ 메모리 누수
Generator<int> gen = counter(10);
// 소멸자에서 coro.destroy() 호출 안하면 누수

// ✅ 소멸자에서 파괴
~Generator() {
    if (coro) coro.destroy();
}

문제 3: 지역 변수 수명

증상: 댕글링 참조

// ❌ 댕글링 참조
Task bad() {
    std::string str = "Hello";
    std::string_view sv = str;
    
    co_await std::suspend_always{};
    
    std::cout << sv << std::endl;  // str이 유효한가?
}

// ✅ 값 복사
Task good() {
    std::string str = "Hello";  // 코루틴 프레임에 저장됨
    
    co_await std::suspend_always{};
    
    std::cout << str << std::endl;  // 안전
}

문제 4: 예외 처리

증상: 예외 전파 안 됨

// ❌ 예외 처리 누락
struct promise_type {
    void unhandled_exception() {}  // 예외 무시
};

// ✅ 예외 저장
struct promise_type {
    std::exception_ptr exception;
    
    void unhandled_exception() {
        exception = std::current_exception();
    }
};

마무리

코루틴은 함수 실행을 일시 중단하고 재개할 수 있는 강력한 기능입니다.

핵심 요약

  1. 코루틴 키워드

    • co_await: 비동기 작업 대기
    • co_yield: 값 반환 후 일시 중단
    • co_return: 코루틴 종료

  2. promise_type

    • get_return_object
    • initial_suspend / final_suspend
    • yield_value / return_void
    • unhandled_exception

  3. 성능

    • 스레드보다 100배 가볍고 빠름
    • 수천~수만 개의 코루틴 가능
    • 컨텍스트 스위칭 비용 없음

  4. 주의사항

    • promise_type 필수
    • 코루틴 핸들 파괴 필수
    • 지역 변수 수명 주의
    • 예외 처리 필수

선택 가이드

상황권장이유
비동기 I/O코루틴가벼움
제너레이터코루틴간결
상태 머신코루틴명확
CPU 집약적스레드병렬 처리

코드 예제 치트시트

// 제너레이터
Generator<int> counter(int max) {
    for (int i = 0; i < max; ++i) {
        co_yield i;
    }
}

// 비동기 작업
Task asyncTask() {
    co_await someOperation();
}

// 코루틴 핸들
std::coroutine_handle<> h = ...;
h.resume();
h.done();
h.destroy();

다음 단계

참고 자료

한 줄 정리: 코루틴은 함수 실행을 일시 중단하고 재개할 수 있는 기능으로, 스레드보다 100배 가볍고 비동기 프로그래밍을 동기 코드처럼 작성할 수 있게 한다.

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