[OSTEP] 27. Interlude: Thread API

1. 스레드 생성 (Thread Creation)#

스레드 생성은 pthread_create 함수를 사용합니다.

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#include <pthread.h>
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int pthread_create(pthread_t *thread,
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                   const pthread_attr_t *attr,
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                   void *(*start_routine)(void *),
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                   void *arg);

이 함수는 4개의 인자를 받습니다.

1. thread: 생성된 스레드를 식별하는 pthread_t의 포인터입니다.
2. attr: 스레드 속성(우선순위, 스택 크기 등)을 지정합니다. 보통은 NULL을 써서 기본값을 사용합니다.
3. start_routine: 스레드가 실행을 시작할 함수입니다. 이 함수는 void * 인자를 받고 void *를 반환해야 합니다.
4. arg: 실행할 함수에 전달할 인자입니다.

왜 void *를 쓸까요?
C에서 void *는 임의의 포인터 타입을 담을 수 있습니다. 따라서 다양한 타입의 인자를 전달하고, 결과도 포인터 형태로 유연하게 전달할 수 있도록 설계되어 있습니다. 다만 실제로는 호출자와 피호출자가 동일한 타입 규약을 공유해야 안전합니다.

2. 스레드 종료 대기 (Thread Completion)#

스레드가 작업을 마칠 때까지 기다리려면 pthread_join을 사용합니다.

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int pthread_join(pthread_t thread, void **value_ptr);

1. thread: 기다릴 대상 스레드입니다.
2. value_ptr: 스레드의 반환 값을 받아올 포인터의 포인터입니다. 반환 값이 필요 없으면 NULL을 전달해도 됩니다.

[주의] 스택 변수 반환 금지
스레드 함수 내에서 지역 변수(스택에 할당된 변수)의 주소를 반환하면 안 됩니다. 스레드가 종료되면 그 스택 프레임은 더 이상 유효하지 않으므로, 반환된 포인터는 잘못된 메모리를 가리키게 되어 치명적인 버그로 이어집니다. 값을 반환하려면 힙에 할당(malloc)하거나, 호출자가 소유한 메모리를 인자로 넘겨 그 공간에 결과를 기록하는 방식이 안전합니다.

3. 락 (Locks)#

임계 영역을 보호하기 위해 상호 배제(Mutual Exclusion) 기능을 제공하는 락을 사용합니다. Pthreads에서는 이를 Mutex라고 부릅니다.

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// 정적 초기화
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pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
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// 동적 초기화 (실패 시 반환값 체크 필수)
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#include <assert.h>
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int rc = pthread_mutex_init(&lock, NULL);
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assert(rc == 0);

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pthread_mutex_lock(&lock);
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x = x + 1; // 임계 영역
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pthread_mutex_unlock(&lock);

4. 조건 변수 (Condition Variables)#

스레드 간에 신호(Signal)를 주고받아야 할 때, 즉 특정 조건이 만족될 때까지 기다려야 하는 경우에 조건 변수를 사용합니다.

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int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
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int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

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pthread_mutex_lock(&lock);
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while (ready == 0) { // 반드시 while 루프 사용
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    pthread_cond_wait(&cond, &lock);
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}
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pthread_mutex_unlock(&lock);

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pthread_mutex_lock(&lock);
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ready = 1;
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pthread_cond_signal(&cond);
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pthread_mutex_unlock(&lock);

5. 컴파일 방법#

Pthreads 라이브러리를 사용하는 코드를 컴파일할 때는 -pthread 플래그를 추가합니다. 이 플래그는 링크 옵션뿐 아니라 스레드 관련 컴파일 옵션도 함께 설정해 주는 방식이라 보통 권장됩니다.

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gcc -o main main.c -Wall -pthread

6. API 사용 가이드라인#

책에서 제시하는 멀티 스레드 프로그래밍의 조언입니다.

• 단순하게 유지하라 (Keep it simple): 락과 조건 변수의 상호작용이 복잡해질수록 버그가 급격히 늘어납니다.
• 반환 값을 확인하라: API 호출 실패는 언제든 일어날 수 있으니, 실패 시 경로를 명확히 처리해야 합니다.
• 스택 변수 주의: 스레드 간에 로컬 변수(스택) 포인터를 오래 보관하거나 반환하지 마세요.
• 조건 변수 사용: 단순 플래그를 바쁜 대기(spin)로 폴링하기보다는, 조건 변수를 사용해 효율적이고 안전하게 대기/깨움을 구현합니다.

7. 요약 (Summary)#

이번 장은 운영체제가 제공하는 스레드 인터페이스의 실체를 확인했습니다.

• 생성 및 종료 대기: pthread_create, pthread_join
• 락(Lock): pthread_mutex_lock, pthread_mutex_unlock을 통한 상호 배제
• 조건 변수: pthread_cond_wait, pthread_cond_signal을 통한 순서 제어 및 대기

이 API들은 간단해 보이지만, while 루프로 조건을 재확인한다거나, 스택 포인터를 반환하지 않는다 같은 디테일을 놓치면 치명적인 오류로 이어집니다. 다음 장부터는 이 도구들을 이용해 실제로 락과 조건 변수를 어떻게 구현하고 활용하는지 더 깊이 있게 다룹니다.

8. 용어 정리#

• POSIX Threads (Pthreads): UNIX 계열 시스템의 표준 스레드 API 라이브러리.
• Mutex (Mutual Exclusion): 임계 영역에 오직 하나의 스레드만 접근하도록 통제하는 락 객체.
• Condition Variable: 특정 조건이 만족될 때까지 스레드를 대기시키고(Wait), 조건이 만족되면 깨우는(Signal) 동기화 객체.
• Spurious Wakeup: 조건 변수 대기 중 명시적인 신호가 없었음에도 스레드가 깨어나는 현상. while 루프로 조건을 재확인해 방어해야 합니다.
• Thread-safe: 멀티 스레드 환경에서 동시에 호출되어도 올바르게 동작하는 코드나 라이브러리의 성질.

Reference#

• Operating Systems: Three Easy Pieces - Chapter 27: Thread API