cpu바운드 프로그램 멀티쓰레딩에 최적의 스레드 개수 결정 방법 및 멀티쓰레딩 개발에 주의할점

컴퓨터과학 2024. 5. 22. 14:01

728x90

Contents

기본 원칙

최적의 스레드 수 = CPU 코어 수: 일반적으로, CPU 바운드 작업에서는 CPU 코어 수만큼의 스레드를 사용하는 것이 가장 효율적입니다. 이는 각 스레드가 동시에 실행될 수 있어 최대의 병렬성을 달성할 수 있기 때문입니다.
과도한 스레드 사용 피하기: 스레드 수가 CPU 코어 수를 초과하면, 스레드 간의 문맥 전환 오버헤드가 발생하여 성능 저하를 초래할 수 있습니다.

쓰레드 갯수 선택 이유

병렬 처리 최적화: 각 스레드가 하나의 CPU 코어에서 실행될 수 있어 최대한의 병렬 처리가 가능해집니다.
컨텍스트 스위칭 감소: 불필요한 스레드 간의 컨텍스트 스위칭을 최소화하여 CPU 오버헤드를 줄입니다.

예제 코드

아래 예제는 CPU 바운드 작업을 수행하는 파이썬 프로그램입니다. 이 프로그램은 다중 스레드를 사용하여 계산 집약적인 작업을 수행합니다.

import threading
import time
import multiprocessing

# CPU 바운드 작업 예제: 큰 수의 팩토리얼 계산
def cpu_bound_task(n):
    result = 1
    for i in range(2, n + 1):
        result *= i
    return result

def worker():
    print(f"Thread {threading.current_thread().name} starting computation.")
    cpu_bound_task(50000)  # 예제: 큰 수의 팩토리얼 계산
    print(f"Thread {threading.current_thread().name} finished computation.")

if __name__ == "__main__":
    num_cores = multiprocessing.cpu_count()  # 시스템의 CPU 코어 수 확인
    print(f"Number of CPU cores available: {num_cores}")

    # 최적의 스레드 수 설정: CPU 코어 수와 동일하게 설정
    threads = []
    for i in range(num_cores):
        thread = threading.Thread(target=worker, name=f"Thread-{i+1}")
        threads.append(thread)
        thread.start()

    # 모든 스레드가 완료될 때까지 기다림
    for thread in threads:
        thread.join()

    print("All threads have finished execution.")

CPU 바운드 프로그램에서는 CPU 코어 수만큼의 스레드를 사용하는 것이 최적의 성능을 발휘합니다. 이는 각 스레드가 동시에 실행될 수 있는 환경을 제공하여 최대의 병렬성을 달성하고, 불필요한 컨텍스트 스위칭을 피할 수 있기 때문입니다. 위 예제 코드는 이러한 원칙을 기반으로 작성되었습니다.

멀티쓰레딩 프로그램 개발에 따른 주의점 정리

동기화 이슈 (Synchronization Issues)

레이스 컨디션 (Race Condition)

문제점: 두 개 이상의 스레드가 동시에 동일한 자원에 접근하고 수정할 때 발생할 수 있습니다. 결과는 스레드 실행 순서에 따라 달라질 수 있습니다.
해결책: 락, 뮤텍스, 세마포어와 같은 동기화 메커니즘을 사용하여 자원에 대한 동시 접근을 제어합니다.

예제

에러 상황:

여러 스레드가 동시에 counter를 증가시키려 하면, 각 스레드의 작업이 중첩되어 예상치 못한 최종 결과가 나올 수 있습니다. synchronized 블록 또는 ReentrantLock을 사용하지 않으면 이러한 문제가 발생할 수 있습니다.

보완 사항:

락을 사용하여 counter 접근을 동기화합니다.

에러가 발생할수 있는 코드:

public class RaceConditionExample {
    private static int counter = 0;

    public static void incrementCounter() {
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            counter++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threads[i] = new Thread(RaceConditionExample::incrementCounter);
            threads[i].start();
        }

        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }

        System.out.println("Final counter value: " + counter);
    }
}

에러를 보완한 코드

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class RaceConditionExample {
    private static int counter = 0;
    private static Lock lock = new ReentrantLock();

    public static void incrementCounter() {
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            lock.lock();
            try {
                counter++;
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threads[i] = new Thread(RaceConditionExample::incrementCounter);
            threads[i].start();
        }

        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }

        System.out.println("Final counter value: " + counter);
    }
}

데드락 (Deadlock)

문제점: 두 개 이상의 스레드가 서로가 소유한 락을 기다릴 때 발생하여 영원히 대기 상태에 빠집니다.
해결책: 락 획득 순서를 고정하거나, 타임아웃을 설정하여 데드락을 피합니다.

에러 상황:

task1과 task2가 서로가 소유한 락을 기다리면서 데드락이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, task1이 lock1을 획득하고 lock2를 기다리는 동안, task2가 lock2를 획득하고 lock1을 기다리면 두 스레드가 영원히 대기 상태에 빠집니다.

보완 사항:

락을 획득하는 순서를 동일하게 하거나 타임아웃을 설정하여 데드락을 피합니다.

에러가 발생할수있는 코드

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class DeadlockExample {
    private static Lock lock1 = new ReentrantLock();
    private static Lock lock2 = new ReentrantLock();

    public static void task1() {
        lock1.lock();
        try {
            Thread.sleep(50); // Simulate some work
            lock2.lock();
            try {
                System.out.println("Task 1 is running");
            } finally {
                lock2.unlock();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock1.unlock();
        }
    }

    public static void task2() {
        lock2.lock();
        try {
            Thread.sleep(50); // Simulate some work
            lock1.lock();
            try {
                System.out.println("Task 2 is running");
            } finally {
                lock1.unlock();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock2.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(DeadlockExample::task1);
        Thread thread2 = new Thread(DeadlockExample::task2);

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();
    }
}

에러를 보완한 코드

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class DeadlockExample {
    private static Lock lock1 = new ReentrantLock();
    private static Lock lock2 = new ReentrantLock();

    public static void task1() {
        try {
            if (lock1.tryLock(50, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                try {
                    Thread.sleep(50); // Simulate some work
                    if (lock2.tryLock(50, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                        try {
                            System.out.println("Task 1 is running");
                        } finally {
                            lock2.unlock();
                        }
                    }
                } finally {
                    lock1.unlock();
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void task2() {
        try {
            if (lock2.tryLock(50, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                try {
                    Thread.sleep(50); // Simulate some work
                    if (lock1.tryLock(50, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                        try {
                            System.out.println("Task 2 is running");
                        } finally {
                            lock1.unlock();
                        }
                    }
                } finally {
                    lock2.unlock();
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(DeadlockExample::task1);
        Thread thread2 = new Thread(DeadlockExample::task2);

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();
    }
}

리소스 관리 (Resource Management)

메모리 누수 (Memory Leak)

문제점: 스레드가 종료되지 않고 계속해서 메모리를 점유하는 경우 발생할 수 있습니다.
해결책: 스레드가 종료될 수 있도록 하고, 종료된 스레드를 적절히 정리합니다.

에러 상황:

스레드가 종료되지 않거나 적절히 정리되지 않으면 메모리 누수가 발생할 수 있습니다.

보완 사항:

스레드가 정상적으로 종료되도록 하고, 종료된 스레드를 적절히 정리합니다.

public class MemoryLeakExample {

    public static void worker() {
        // Simulate work
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threads[i] = new Thread(MemoryLeakExample::worker);
            threads[i].start();
        }

        // If we forget to join the threads, they may still be running,
        // causing potential memory leaks.
    }
}

에러를 보완한 코드

public class MemoryLeakExample {

    public static void worker() {
        // Simulate work
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threads[i] = new Thread(MemoryLeakExample::worker);
            threads[i].start();
        }

        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }

        System.out.println("All threads have finished.");
    }
}

성능 이슈 (Performance Issues)

과도한 컨텍스트 스위칭 (Excessive Context Switching)

문제점: 스레드 수가 너무 많으면 컨텍스트 스위칭 오버헤드가 발생하여 성능이 저하됩니다.
해결책: CPU 코어 수에 맞는 적절한 스레드 수를 유지합니다.

스레드 풀 (Thread Pool) 사용

문제점: 매번 새로운 스레드를 생성하고 종료하는 것은 비용이 많이 듭니다.
해결책: 스레드 풀을 사용하여 스레드를 재사용합니다.

에러 상황:

스레드를 직접 관리하면 스레드 생성과 종료에 많은 오버헤드가 발생할 수 있습니다.

보완 사항:

스레드 풀을 사용하여 스레드를 재사용합니다.

에러가 발생할수 있는 코드

public class ThreadPoolExample {

    public static void worker() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is running");
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(ThreadPoolExample::worker).start();
        }
    }
}

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadPoolExample {

    public static void worker() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is running");
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);

        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            executor.submit(ThreadPoolExample::worker);
        }

        executor.shutdown();
    }
}

728x90

저작자표시 비영리 변경금지

'컴퓨터과학' 카테고리의 다른 글

JSON 마셜링/언마셜링이란? (0)	2024.05.23
컨슈머 스레드(Consumer Thread)와 프로듀서 스레드(Producer Thread) (0)	2024.05.23
프로세스 컨텍스트 스위칭과 스레드 컨텍스트 스위칭 정의 및 차이 with 예제 python (0)	2024.05.22
단일프로세스,멀티프로그래밍,멀티태스킹,멀티프로세싱,컨텍스트 스위칭,스레드,멀티쓰레드란 무엇인가? (0)	2024.05.17
동기(sync)/비동기(async) , 블로킹(blocking)/논블로킹(nonblocking) 쉽게 이해하고 완전 정복 하자 with 예제코드 with java (0)	2024.05.08

ABOUT ME

갴발자 디찌 갴발자 디찌

기본 원칙

쓰레드 갯수 선택 이유

예제 코드

멀티쓰레딩 프로그램 개발에 따른 주의점 정리

동기화 이슈 (Synchronization Issues)

레이스 컨디션 (Race Condition)

예제

데드락 (Deadlock)

리소스 관리 (Resource Management)

메모리 누수 (Memory Leak)

성능 이슈 (Performance Issues)

과도한 컨텍스트 스위칭 (Excessive Context Switching)

스레드 풀 (Thread Pool) 사용

'컴퓨터과학' 카테고리의 다른 글

티스토리툴바

ABOUT ME

기본 원칙

쓰레드 갯수 선택 이유

예제 코드

멀티쓰레딩 프로그램 개발에 따른 주의점 정리

동기화 이슈 (Synchronization Issues)

레이스 컨디션 (Race Condition)

예제

데드락 (Deadlock)

리소스 관리 (Resource Management)

메모리 누수 (Memory Leak)

성능 이슈 (Performance Issues)

과도한 컨텍스트 스위칭 (Excessive Context Switching)

스레드 풀 (Thread Pool) 사용

'컴퓨터과학' 카테고리의 다른 글

관련글 관련글 더보기

티스토리툴바