스레드와 병렬성 – 현대 CPU가 작업을 처리하는 방식

병렬 처리 사진


운영체제 과제에서 직접 멀티스레드 프로그램을 작성해보며, 단일 스레드보다 작업이 훨씬 빠르게 완료되는 것을 경험한 적이 있습니다. 처음에는 단순히 “속도가 빨라졌다”는 수준으로 느꼈지만, 이후 스레드와 병렬성 개념을 제대로 학습하면서 그 배경을 깊이 이해할 수 있었습니다.

스레드란 무엇인가 – 프로세스 안의 실행 흐름

스레드(Thread)는 프로세스 내부에서 실제로 작업을 수행하는 실행 단위입니다. 하나의 프로세스는 최소한 하나의 스레드를 가지고 있으며, 이를 ‘메인 스레드’라고 부릅니다. 그러나 대부분의 현대 애플리케이션은 복잡한 작업을 빠르고 효율적으로 수행하기 위해 여러 개의 스레드를 생성하여 동시에 실행되도록 설계되어 있습니다. 이를 멀티스레딩(Multithreading)이라고 합니다.

스레드는 같은 프로세스 안에서 메모리 공간, 즉 코드, 데이터, 힙 영역을 공유하며 실행됩니다. 이 때문에 새로운 스레드를 만드는 것은 새로운 프로세스를 만드는 것보다 훨씬 적은 자원이 소모됩니다. 단, 스택은 스레드마다 독립적으로 존재하여 함수 호출과 지역 변수의 관리를 가능하게 합니다. 이러한 구조 덕분에 스레드는 빠르게 생성되고, 동시에 병렬적인 작업을 수행할 수 있습니다.

예를 들어 웹 브라우저를 실행할 때, 하나의 스레드는 사용자 입력을 처리하고, 다른 스레드는 이미지나 광고를 로딩하며, 또 다른 스레드는 오디오를 재생할 수 있습니다. 이처럼 하나의 프로그램 안에서도 다수의 작업이 동시에 진행될 수 있도록 하는 것이 스레드의 핵심 역할입니다.

병렬성과 동시성 – 차이점과 CPU의 역할

스레드와 관련된 개념 중에서 자주 혼동되는 것이 병렬성(Parallelism)과 동시성(Concurrency)입니다. 이 둘은 유사하게 보이지만, 실제로는 중요한 차이가 존재합니다. 병렬성은 여러 작업이 실제로 동시에 수행되는 것을 의미하며, 다수의 CPU 코어나 하드웨어 리소스를 통해 실현됩니다. 반면, 동시성은 작업들이 동시에 실행되는 것처럼 보이지만, 실제로는 CPU가 빠르게 작업을 전환하면서 순차적으로 처리하는 방식입니다.

현대의 CPU는 다중 코어(Multi-Core) 구조를 가지고 있어 진정한 병렬 처리가 가능합니다. 예를 들어 4코어 CPU는 동시에 4개의 스레드를 실제로 병렬 실행할 수 있으며, 하이퍼스레딩(Hyper-Threading)과 같은 기술을 통해 각 코어가 2개의 스레드를 동시에 처리할 수 있도록 설계되기도 합니다. 이를 통해 운영체제는 더 많은 스레드를 효과적으로 분산시켜 전체 시스템의 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.

하지만 하드웨어 자원이 한정되어 있기 때문에 모든 스레드가 동시에 실행될 수 있는 것은 아닙니다. 이럴 때 운영체제는 스케줄러(Scheduler)를 통해 어떤 스레드에 CPU 시간을 할당할지 결정하게 되며, 이 과정에서 컨텍스트 스위칭(Context Switching)이 발생합니다. 이러한 스케줄링 기법과 스레드 우선순위 설정은 시스템의 효율성에 직접적인 영향을 미칩니다.

멀티스레딩 프로그래밍과 주의할 점

멀티스레딩은 시스템 자원을 효율적으로 활용하고, 작업 속도를 향상시킬 수 있는 강력한 기술입니다. 하지만 스레드 간 자원을 공유한다는 특성 때문에 여러 가지 주의할 점도 존재합니다. 그 중 대표적인 문제가 바로 경쟁 상태(Race Condition)입니다. 두 개 이상의 스레드가 동시에 같은 변수나 자원에 접근하면서, 예상치 못한 결과가 발생하는 경우입니다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 임계 구역(Critical Section)을 설정하고, 뮤텍스(Mutex), 세마포어(Semaphore), 락(Lock) 등의 동기화 기법을 적절히 활용해야 합니다. 그러나 동기화는 시스템 자원을 더 소모하고, 데드락(Deadlock)과 같은 새로운 문제를 야기할 수 있기 때문에 신중한 설계가 요구됩니다.

멀티스레드 프로그래밍은 초기에 학습 난이도가 높지만, 실제 소프트웨어 개발에서는 필수적인 기술 중 하나입니다. 특히 서버 개발, 게임 개발, 고성능 컴퓨팅(HPC) 분야에서는 스레드와 병렬성에 대한 깊은 이해가 요구됩니다. 실제로 많은 유명 오픈소스 프로젝트나 대형 시스템은 멀티스레딩 기반으로 설계되어 있으며, 이를 적절히 활용하는 것이 개발자의 역량을 판단하는 지표가 되기도 합니다.

결론적으로, 스레드와 병렬성은 현대 컴퓨터 시스템의 성능을 극대화하기 위한 핵심 기술입니다. CPU의 물리적 한계를 극복하고, 사용자 경험을 향상시키기 위해 우리는 스레드라는 개념을 바탕으로 복잡한 작업을 효과적으로 분산 처리하고 있습니다. 이처럼 스레드를 이해하고 병렬 처리의 원리를 파악하는 것은 운영체제뿐 아니라 전체 시스템 소프트웨어를 이해하는 데 있어 매우 중요한 밑거름이 됩니다.

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