C++ 멀티스레딩 | "thread/mutex" 기초 가이드

기본 스레드 생성

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;

void printHello() {
    cout << "Hello from thread!" << endl;
}

int main() {
    thread t(printHello);  // 스레드 생성
    t.join();  // 스레드 종료 대기
    
    cout << "Main thread" << endl;
    
    return 0;
}

람다와 매개변수

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;

int main() {
    // 람다 사용
    thread t1( {
        cout << "Lambda thread" << endl;
    });
    
    // 매개변수 전달
    thread t2( {
        cout << x << ": " << s << endl;
    }, 10, "Hello");
    
    t1.join();
    t2.join();
    
    return 0;
}

mutex로 동기화

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
using namespace std;

mutex mtx;
int counter = 0;

void increment() {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        mtx.lock();
        counter++;
        mtx.unlock();
    }
}

int main() {
    thread t1(increment);
    thread t2(increment);
    
    t1.join();
    t2.join();
    
    cout << "Counter: " << counter << endl;  // 2000
    
    return 0;
}

lock_guard (RAII)

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
using namespace std;

mutex mtx;

void safeIncrement(int& counter) {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        lock_guard<mutex> lock(mtx);  // 자동 unlock
        counter++;
    }  // 자동으로 unlock됨
}

int main() {
    int counter = 0;
    
    thread t1(safeIncrement, ref(counter));
    thread t2(safeIncrement, ref(counter));
    
    t1.join();
    t2.join();
    
    cout << "Counter: " << counter << endl;  // 2000
    
    return 0;
}

실전 예시

예시 1: 병렬 계산

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
using namespace std;

void sumRange(int start, int end, long long& result) {
    long long sum = 0;
    for (int i = start; i < end; i++) {
        sum += i;
    }
    result = sum;
}

int main() {
    const int N = 100000000;
    const int NUM_THREADS = 4;
    
    vector<thread> threads;
    vector<long long> results(NUM_THREADS);
    
    int range = N / NUM_THREADS;
    
    // 스레드 생성
    for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
        int start = i * range;
        int end = (i == NUM_THREADS - 1) ? N : (i + 1) * range;
        threads.emplace_back(sumRange, start, end, ref(results[i]));
    }
    
    // 모든 스레드 대기
    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }
    
    // 결과 합산
    long long total = 0;
    for (long long r : results) {
        total += r;
    }
    
    cout << "합계: " << total << endl;
    
    return 0;
}

설명: 큰 계산을 여러 스레드로 나누어 병렬 처리합니다.

예시 2: 생산자-소비자 패턴

#include <iostream>
#include <thread>
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
using namespace std;

queue<int> dataQueue;
mutex mtx;
condition_variable cv;
bool done = false;

void producer() {
    for (int i = 1; i <= 10; i++) {
        this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));
        
        {
            lock_guard<mutex> lock(mtx);
            dataQueue.push(i);
            cout << "생산: " << i << endl;
        }
        
        cv.notify_one();  // 소비자에게 알림
    }
    
    {
        lock_guard<mutex> lock(mtx);
        done = true;
    }
    cv.notify_all();
}

void consumer() {
    while (true) {
        unique_lock<mutex> lock(mtx);
        
        cv.wait(lock,  {
            return !dataQueue.empty() || done;
        });
        
        while (!dataQueue.empty()) {
            int value = dataQueue.front();
            dataQueue.pop();
            lock.unlock();
            
            cout << "소비: " << value << endl;
            this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(150));
            
            lock.lock();
        }
        
        if (done && dataQueue.empty()) {
            break;
        }
    }
}

int main() {
    thread prod(producer);
    thread cons(consumer);
    
    prod.join();
    cons.join();
    
    return 0;
}

설명: 생산자와 소비자가 큐를 통해 데이터를 주고받는 패턴입니다.

예시 3: 스레드 풀

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <queue>
#include <functional>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
using namespace std;

class ThreadPool {
private:
    vector<thread> workers;
    queue<function<void()>> tasks;
    mutex mtx;
    condition_variable cv;
    bool stop;
    
public:
    ThreadPool(size_t numThreads) : stop(false) {
        for (size_t i = 0; i < numThreads; i++) {
            workers.emplace_back([this]() {
                while (true) {
                    function<void()> task;
                    
                    {
                        unique_lock<mutex> lock(mtx);
                        cv.wait(lock, [this]() {
                            return stop || !tasks.empty();
                        });
                        
                        if (stop && tasks.empty()) {
                            return;
                        }
                        
                        task = move(tasks.front());
                        tasks.pop();
                    }
                    
                    task();
                }
            });
        }
    }
    
    ~ThreadPool() {
        {
            unique_lock<mutex> lock(mtx);
            stop = true;
        }
        
        cv.notify_all();
        
        for (auto& worker : workers) {
            worker.join();
        }
    }
    
    void enqueue(function<void()> task) {
        {
            unique_lock<mutex> lock(mtx);
            tasks.push(task);
        }
        cv.notify_one();
    }
};

int main() {
    ThreadPool pool(4);
    
    for (int i = 1; i <= 10; i++) {
        pool.enqueue([i]() {
            cout << "작업 " << i << " 시작 (스레드 " 
                 << this_thread::get_id() << ")" << endl;
            this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
            cout << "작업 " << i << " 완료" << endl;
        });
    }
    
    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(5));
    
    return 0;
}

설명: 스레드 풀로 작업을 효율적으로 분배합니다.

자주 발생하는 문제

문제 1: 경쟁 조건 (Race Condition)

증상: 결과가 매번 다름

원인: 동기화 없이 공유 자원 접근

해결법:

// ❌ 경쟁 조건
int counter = 0;

void increment() {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        counter++;  // 위험!
    }
}

// ✅ mutex로 보호
mutex mtx;
int counter = 0;

void increment() {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        lock_guard<mutex> lock(mtx);
        counter++;
    }
}

문제 2: 데드락 (Deadlock)

증상: 프로그램이 멈춤

원인: 서로 다른 mutex를 기다림

해결법:

// ❌ 데드락 가능
mutex mtx1, mtx2;

void func1() {
    lock_guard<mutex> lock1(mtx1);
    lock_guard<mutex> lock2(mtx2);
}

void func2() {
    lock_guard<mutex> lock2(mtx2);  // 순서 다름!
    lock_guard<mutex> lock1(mtx1);
}

// ✅ 항상 같은 순서로 lock
void func1() {
    lock_guard<mutex> lock1(mtx1);
    lock_guard<mutex> lock2(mtx2);
}

void func2() {
    lock_guard<mutex> lock1(mtx1);  // 같은 순서
    lock_guard<mutex> lock2(mtx2);
}

// ✅ scoped_lock 사용 (C++17)
void func() {
    scoped_lock lock(mtx1, mtx2);  // 자동으로 데드락 방지
}

문제 3: detach 후 댕글링 참조

증상: 크래시 또는 이상한 값

원인: 스레드가 참조하는 변수가 소멸됨

해결법:

// ❌ 위험한 코드
void badExample() {
    int data = 10;
    thread t([&data]() {
        this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
        cout << data << endl;  // 이미 소멸!
    });
    t.detach();
}  // data 소멸

// ✅ 값으로 캡처
void goodExample() {
    int data = 10;
    thread t([data]() {
        this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
        cout << data << endl;  // 안전
    });
    t.detach();
}

// ✅ join으로 대기
void betterExample() {
    int data = 10;
    thread t([&data]() {
        cout << data << endl;
    });
    t.join();  // 대기
}

FAQ

Q1: join vs detach?

A:

• join: 스레드 종료 대기 (권장)
• detach: 백그라운드 실행 (주의 필요)

Q2: 몇 개의 스레드를 만들어야 하나요?

A: 일반적으로 CPU 코어 수만큼이 적절합니다.

unsigned int numThreads = thread::hardware_concurrency();

Q3: mutex는 느린가요?

A: 약간의 오버헤드가 있지만 필요한 경우 반드시 사용해야 합니다. atomic을 고려할 수도 있습니다.

Q4: 스레드 안전한 컨테이너는?

A: C++ 표준 컨테이너는 기본적으로 스레드 안전하지 않습니다. mutex로 보호하거나 concurrent 라이브러리를 사용하세요.

Q5: async vs thread?

A:

• thread: 저수준 제어
• async: 고수준, 간편 (future 반환)

auto future = async(launch::async,  {
    return 42;
});
cout << future.get() << endl;

Q6: 멀티스레딩은 언제 사용하나요?

A:

• CPU 집약적 작업 병렬화
• I/O 대기 시간 활용
• 반응성 향상 (UI)

---

같이 보면 좋은 글 (내부 링크)

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• C++ jthread | “자동 조인 스레드” 가이드
• C++ scoped_lock | “범위 락” 가이드
• C++ 스레드 풀 | “Thread Pool” 구현 가이드

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