[Book] 게임 서버 프로그래밍 교과서 - 1장 멀티 스레딩 (1)

1장 멀티 스레딩

 

게임 서버를 개발하다 보면 필연적으로 멀티 스레드 프로그래밍을 하게 된다.
싱글 스레드로만 작동하는 비동기 함수 콜백이나 코루틴을 쓰더라도
멀티 스레딩을 이해하고 있다면 더욱 유용하다.

 

1. 프로그램과 프로세스

프로그램과 프로세스

 

우리가 흔히 말하는 프로그램이란 컴퓨터에서 실행되는 명령어 모음이 들어있는 데이터 덩어리를 의미한다.

• 프로그램 메모리는 코드(code)와 데이터(data)로 구성되어 있다.
• 프로그램은 디스크 같은 저장소에 존재한다.

 

프로세스는 실행 중인 프로그램으로 프로그램을 실행하면 명령어가 한 줄씩 실행되면서 프로그램은 뭔가 활동을 하는 상태가 된다.

• 프로세스 메모리는 프로그램에서 로딩된 코드와 데이터, 힙(heap), 스택(stack)으로 구성되어 있다.
  • 스택에는 현재 실행 중인 함수들의 호출 기록과 사용 중인 로컬 변수들이 들어있다.
• 프로세스는 RAM 메모리에 존재한다.

 

이러한 프로세스가 여러 개 실행되고 있는 것을 멀티 프로세싱(multi-processing)이라 한다. 각 프로세스에는 독립된 메모리 공간이 있으며 서로 다른 프로세스는 상대방의 메모리 공간을 읽고 쓸 수 없다.

 

2. 스레드

스레드 역시 프로세스처럼 명령어를 한 줄씩 실행하는 기본 단위이다.

• 한 프로세스 안에 여러 스레드가 있다.
• 한 프로세스 안에 있는 스레드는 프로세스 안 메모리 공간을 공유한다.
• 각 스레드마다 스택을 가지는데, 이는 스레드마다 실행되는 함수의 로컬 변수들이 있다는 것을 의미한다.

 

싱글 스레딩

 

프로그램을 실행할 때 기본으로 존재하는 스레드를 메인 스레드라 한다. 이러한 스레드가 하나만 실행되는 프로그램을 싱글 스레드 프로그램이라하며 싱글 스레드로만 작동하도록 프로그램을 설계하고 구현하는 것을 싱글 스레드 모델이라 한다.

 

멀티 스레딩

 

프로세스 안에서 여러 스레드를 생성시킬 수도 있다. 이렇게 여러 스레드가 동시에 여러 일을 처리하는 것을 멀티 스레딩이라 한다.

 

멀티 스레딩은 어떻게 구현될까?

 

일단 호출 스택을 먼저 알아야 한다. 프로그램은 메인 함수를 시작점으로 많은 함수가 실행되며 그 함수들은 또 다른 함수들을 실행한다. 함수는 실행이 끝나면 자신을 호출했던 지점으로 되돌아가야 하는데, 이 정보가 저장된 곳을 호출 스택이라 하며 안에는 각 함수 안에 선언된 지역 변수도 같이 들어있다.

 

스레드는 실행 지점이 서로 다를 수 밖에 없다. 왜냐하면 스레드를 생성하려면 운영체제나 런타임 라이브러리에서 제공하는 스레드 생성용 함수를 호출하고 함수 인자로 스레드가 최초로 실행할 함수와 매개변수를 넣어준다. 이때, 함수 인자에 따라 각 스레드의 실행 지점이 서로 달라지며 같은 함수를 실행한다 하더라도 인자나 메모리 상태 등이 다르므로 결국 다른 실행 지점을 가리키게 된다.

 

호출 스택

 

따라서 각 스레드마다 다른 실행 지점을 저장하기 위해 호출 스택을 따로 저장해야 한다.

 

아래 코드는 메인 스레드와 또 다른 스레드가 동시에 작동하는 예제 프로그램이다.

 

멀티 스레딩 구현

 

• 프로그램이 실행하면, 메인 스레드의 실행 지점은 ①부터 시작한다.
• CreateThread()는 새로운 스레드 하나를 생성하는데, 매개변수로 다른 함수와 그 함수가 받을 매개변수를 요구한다.
• 메인 스레드가 다음 일을 처리하는 동안 스레드 1도 함수를 실행한다. (어떤 것이 먼저 실행될지는 모른다.)
• Join()은 해당 스레드의 일이 끝날 때까지 메인 스레드를 기다리게 한다. (메인 스레드가 먼저 종료되지 않도록 주의해야 한다.)
• 스레드 1의 함수가 종료되면 스레드 1은 소멸되고 메인 스레드도 다시 깨어나게 된다.
• 실행된 프로세스 안의 모든 스레드가 종료되었으므로 프로세스 자체가 종료한다.

 

위 코드를 실행하는 동안 스레드는 아래와 같은 상태를 갖는다.

 

스레드 상태

 

3. 멀티 스레드 프로그래밍은 언제 해야 할까?

멀티 스레드 프로그래밍을 남용하게 되면 오히려 비효율적인 프로그램이 될 수 있다. 뿐만 아니라 조금만 실수해도 심각한 오류를 일으키며 심지어 오류를 찾기 힘들 때도 많다.

 

• 오래 걸리는 일 하나와 빨리 끝나는 일 여럿을 같이 해야 할 때: 게임 로딩을 하는 동안 사용자의 지루함을 덜기 위해 그래프나 애니메이션 등을 보여줄 수 있다.
• 어떤 긴 처리를 진행하는 동안 다른 짧은 일을 처리해야 할 때: 플레이어의 정보를 읽거나 쓰려고 디스크를 액세스 하는 경우 해당 스레드는 디스크의 처리 결과가 끝날 때까지 기다려야 한다. 이때, 다른 플레이어에게 분배하면 서버의 실행 성능을 개선할 수 있다.
• 기기에 있는 CPU를 모두 활용해야 할 때: 기본적으로 스레드는 하나의 코어를 사용한다. 예를 들어 8코어 CPU에서 싱글 스레드 프로그램을 만든다면, 서버는 전체 연산 성능의 1/8만 사용할 것이다.

 

4. 스레드 정체

CPU가 하나만 있는 기기라고 가정할 때 어떻게 여러 프로그램을 동시에 실행시킬 수 있을까?

 

여러 프로세스나 스레드를 동시에 실행해야 하는 운영체제는 스레드들을 일정 시간마다 번갈아 가면서 실행한다.

각 스레드를 실행하다 말고 다른 스레드로 이동하는 과정을 컨텍스트 스위치(context switch)라 한다.

• CPU와 스레드의 개수가 같거나 스레드의 개수가 적으면 컨텍스트 스위치를 할 필요가 없다.

 

컨텍스트 스위치

 

컨텍스트 스위치를 하는 과정은 적지 않은 연산을 발생시키는데, 실행 중이던 스레드의 상태를 저장하고 실행할 스레드의 상태를 복원하고 그 지점으로 이동해야 한다. 그래서 컨텍스트 위치를 너무 자주 하게 되면 정작 스레드를 처리하는 시간보다 이동하는 시간이 더 많아지게 되어 비효율적이게 된다.

 

그렇다면 컨텍스트 스위치 횟수를 최대로 줄이면 되지 않을까?

하지만 이것도 문제가 될 수 있다. 예를 들어 로딩 중 애니메이션이 보이는 경우, 애니메이션이 끊겨 보이게 된다.

 

결론적으로 컨텍스트 스위치 실행은 기본적으로 사람 입장에서 쾌적할 수 있는 가급적 긴 시간 단위로 이루어진다.

이 시간 단위를 타임 슬라이스(time slice)라고 한다. (사람 입장에서는 짧지만, 컴퓨터 입장에서는 긴 시간이다.)

 

5. 스레드를 다룰 때 주의 사항

컴퓨터가 실행하는 명령어는 기본적으로 기계어 명령어 단위로 실행된다. 컨텍스트 스위치도 마찬가지로 기계어 명령어 단위로 일어나며 한 기계어 명령어를 다 실행하고 나면 컨텍스트 스위치를 한다.

 

우리가 하는 프로그래밍은 한 구문을 실제론 여러 기계어 명령어로 컴파일한다.

소스의 한 줄 구문 안에 있는 것을 실행하다 말고 컨텍스트 스위치를 할 가능성이 있다는 것이다.

 

예를 들어 스레드 2개가 하나의 값에 접근하는 경우를 보자.

두 스레드가 한 값에 접근하는 것에 특별한 조치를 하지 않으면 그 값은 어떤 상태가 될지 아무도 모르게 된다.

 

여러 스레드가 데이터에 접근해서 그 데이터 상태를 예측할 수 없게 하는 것을 경쟁 상태 혹은 데이터 레이스라 한다.

• 원자성(atomicity): 어떤 데이터를 스레드가 접근하고 있을 때 그 데이터를 모두 바꾸든지, 아니면 하나도 바꾸지 않든지 해야 한다.
• 일관성(consistency): 데이터를 항상 일관성 있는 상태로 유지해야 한다.

 

원자성과 일관성을 유지하기 위해 동기화(synchronize)가 필요하며 대표적으로 임계 영역, 뮤텍스(상호 배제), 잠금(lock) 기법이 있다.