스레드를 사용해 코드를 동시에 실행하기
현대 운영체제에서 실행되는 프로그램의 코드는 프로세스 내에서 동작하며, 운영체제는 여러 프로세스를 동시에 관리한다. 프로그램 내부에서도 독립적으로 동시에 실행되는 부분을 만들 수 있다. 이런 독립적인 부분을 실행하는 기능을 스레드라고 한다. 예를 들어, 웹 서버는 여러 스레드를 사용해 동시에 여러 요청에 응답할 수 있다.
프로그램의 계산 작업을 여러 스레드로 나누어 동시에 실행하면 성능을 향상시킬 수 있지만, 복잡성도 증가한다. 스레드가 동시에 실행되기 때문에, 서로 다른 스레드에서 코드가 어떤 순서로 실행될지 보장할 수 없다. 이로 인해 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다:
- 경쟁 상태(Race conditions): 스레드가 데이터나 리소스에 일관성 없는 순서로 접근하는 경우
- 데드락(Deadlocks): 두 스레드가 서로를 기다리며 더 이상 진행되지 못하는 경우
- 특정 상황에서만 발생하는 버그: 재현하기 어렵고 안정적으로 수정하기 힘든 버그
Rust는 스레드 사용으로 인한 부정적인 영향을 줄이려고 노력하지만, 멀티스레드 환경에서 프로그래밍하려면 신중하게 생각해야 하며, 단일 스레드 프로그램과는 다른 코드 구조가 필요하다.
프로그래밍 언어는 다양한 방식으로 스레드를 구현하며, 많은 운영체제는 새로운 스레드를 생성하기 위한 API를 제공한다. Rust 표준 라이브러리는 1:1 스레드 구현 모델을 사용한다. 이 모델에서는 하나의 언어 스레드가 하나의 운영체제 스레드를 사용한다. 1:1 모델과는 다른 트레이드오프를 가지는 스레딩 모델을 구현하는 크레이트도 존재한다. (Rust의 비동기 시스템은 다음 장에서 다룰 예정이며, 이는 동시성을 다루는 또 다른 접근 방식을 제공한다.)
spawn을 사용해 새 스레드 생성하기
새 스레드를 생성하려면 thread::spawn 함수를 호출하고, 새 스레드에서 실행할 코드를 담은 클로저를 인자로 전달한다. (클로저는 13장에서 다뤘다.) 리스트 16-1의 예제는 메인 스레드와 새로 생성된 스레드에서 각각 다른 텍스트를 출력한다:
use std::thread;
use std::time::Duration;
fn main() {
thread::spawn(|| {
for i in 1..10 {
println!("hi number {i} from the spawned thread!");
thread::sleep(Duration::from_millis(1));
}
});
for i in 1..5 {
println!("hi number {i} from the main thread!");
thread::sleep(Duration::from_millis(1));
}
}
Rust 프로그램의 메인 스레드가 종료되면, 모든 생성된 스레드는 실행이 완료되었는지 여부와 상관없이 강제로 종료된다. 이 프로그램의 출력은 실행할 때마다 조금씩 다를 수 있지만, 대체로 다음과 비슷한 형태가 된다:
hi number 1 from the main thread!
hi number 1 from the spawned thread!
hi number 2 from the main thread!
hi number 2 from the spawned thread!
hi number 3 from the main thread!
hi number 3 from the spawned thread!
hi number 4 from the main thread!
hi number 4 from the spawned thread!
hi number 5 from the spawned thread!
thread::sleep 호출은 스레드의 실행을 잠시 멈추게 해서 다른 스레드가 실행될 기회를 제공한다. 스레드가 번갈아가며 실행될 가능성이 높지만, 이는 보장된 동작이 아니다. 스레드의 실행 순서는 운영체제의 스케줄링 방식에 따라 달라진다. 이번 실행에서는 코드상에서 생성된 스레드의 출력문이 먼저 위치했음에도 불구하고, 메인 스레드가 먼저 출력을 시작했다. 또한 생성된 스레드는 i가 9가 될 때까지 출력하도록 설정했지만, 메인 스레드가 종료되기 전에 5까지만 출력했다.
이 코드를 실행했을 때 메인 스레드의 출력만 보이거나, 두 스레드의 출력이 겹치지 않는다면, 범위의 숫자를 늘려서 운영체제가 스레드를 전환할 기회를 더 많이 만들어 보자.
join 핸들을 사용해 모든 스레드가 완료될 때까지 기다리기
리스트 16-1의 코드는 대부분의 경우 메인 스레드가 종료되면서 생성된 스레드가 중간에 멈추는 문제가 있다. 또한 스레드가 실행되는 순서가 보장되지 않기 때문에, 생성된 스레드가 실행될지조차 확신할 수 없다.
이 문제를 해결하기 위해 thread::spawn의 반환 값을 변수에 저장할 수 있다. thread::spawn의 반환 타입은 JoinHandle<T>다. JoinHandle<T>는 소유된 값으로, 여기에 join 메서드를 호출하면 해당 스레드가 완료될 때까지 기다린다. 리스트 16-2는 리스트 16-1에서 생성한 스레드의 JoinHandle<T>를 사용하는 방법과 join을 호출해 생성된 스레드가 main이 종료되기 전에 완료되도록 보장하는 방법을 보여준다.
use std::thread;
use std::time::Duration;
fn main() {
let handle = thread::spawn(|| {
for i in 1..10 {
println!("hi number {i} from the spawned thread!");
thread::sleep(Duration::from_millis(1));
}
});
for i in 1..5 {
println!("hi number {i} from the main thread!");
thread::sleep(Duration::from_millis(1));
}
handle.join().unwrap();
}
thread::spawn에서 반환된 JoinHandle<T>를 저장해 스레드가 완료될 때까지 기다리기핸들에 join을 호출하면 현재 실행 중인 스레드는 해당 핸들이 나타내는 스레드가 종료될 때까지 블로킹된다. 스레드를 블로킹한다는 것은 해당 스레드가 작업을 수행하거나 종료하지 못하게 하는 것을 의미한다. join 호출을 메인 스레드의 for 루프 뒤에 배치했기 때문에, 리스트 16-2를 실행하면 다음과 비슷한 출력을 볼 수 있다:
hi number 1 from the main thread!
hi number 2 from the main thread!
hi number 1 from the spawned thread!
hi number 3 from the main thread!
hi number 2 from the spawned thread!
hi number 4 from the main thread!
hi number 3 from the spawned thread!
hi number 4 from the spawned thread!
hi number 5 from the spawned thread!
hi number 6 from the spawned thread!
hi number 7 from the spawned thread!
hi number 8 from the spawned thread!
hi number 9 from the spawned thread!
두 스레드는 계속 번갈아가며 실행되지만, handle.join() 호출로 인해 메인 스레드는 생성된 스레드가 완료될 때까지 기다린 후 종료된다.
이제 handle.join()을 main의 for 루프 앞으로 옮기면 어떤 일이 발생하는지 살펴보자:
use std::thread;
use std::time::Duration;
fn main() {
let handle = thread::spawn(|| {
for i in 1..10 {
println!("hi number {i} from the spawned thread!");
thread::sleep(Duration::from_millis(1));
}
});
handle.join().unwrap();
for i in 1..5 {
println!("hi number {i} from the main thread!");
thread::sleep(Duration::from_millis(1));
}
}
메인 스레드는 생성된 스레드가 완료될 때까지 기다린 후 for 루프를 실행하므로, 출력은 더 이상 섞이지 않는다:
hi number 1 from the spawned thread!
hi number 2 from the spawned thread!
hi number 3 from the spawned thread!
hi number 4 from the spawned thread!
hi number 5 from the spawned thread!
hi number 6 from the spawned thread!
hi number 7 from the spawned thread!
hi number 8 from the spawned thread!
hi number 9 from the spawned thread!
hi number 1 from the main thread!
hi number 2 from the main thread!
hi number 3 from the main thread!
hi number 4 from the main thread!
join을 어디서 호출하는지와 같은 작은 세부 사항도 스레드가 동시에 실행되는지 여부에 영향을 미칠 수 있다.
move 클로저와 스레드 함께 사용하기
thread::spawn에 전달하는 클로저와 함께 move 키워드를 자주 사용한다. 이는 클로저가 환경에서 사용하는 값의 소유권을 가져가기 때문이다. 따라서 해당 값의 소유권이 한 스레드에서 다른 스레드로 이전된다. 13장의 “클로저로 환경 캡처하기”에서 클로저의 맥락에서 move에 대해 논의했다. 이제는 move와 thread::spawn 간의 상호작용에 더 집중할 것이다.
목록 16-1에서 thread::spawn에 전달하는 클로저는 인수를 받지 않는다. 생성된 스레드의 코드에서 메인 스레드의 데이터를 사용하지 않기 때문이다. 생성된 스레드에서 메인 스레드의 데이터를 사용하려면, 해당 스레드의 클로저가 필요한 값을 캡처해야 한다. 목록 16-3은 메인 스레드에서 벡터를 생성하고 이를 생성된 스레드에서 사용하려는 시도를 보여준다. 그러나 이 코드는 아직 작동하지 않는다.
use std::thread;
fn main() {
let v = vec![1, 2, 3];
let handle = thread::spawn(|| {
println!("Here's a vector: {v:?}");
});
handle.join().unwrap();
}클로저는 v를 사용하므로 v를 캡처해 클로저 환경의 일부로 만든다. thread::spawn은 이 클로저를 새로운 스레드에서 실행하므로, 새로운 스레드 내부에서 v에 접근할 수 있어야 한다. 그러나 이 예제를 컴파일하면 다음과 같은 에러가 발생한다.
$ cargo run
Compiling threads v0.1.0 (file:///projects/threads)
error[E0373]: closure may outlive the current function, but it borrows `v`, which is owned by the current function
--> src/main.rs:6:32
|
6 | let handle = thread::spawn(|| {
| ^^ may outlive borrowed value `v`
7 | println!("Here's a vector: {v:?}");
| - `v` is borrowed here
|
note: function requires argument type to outlive `'static`
--> src/main.rs:6:18
|
6 | let handle = thread::spawn(|| {
| __________________^
7 | | println!("Here's a vector: {v:?}");
8 | | });
| |______^
help: to force the closure to take ownership of `v` (and any other referenced variables), use the `move` keyword
|
6 | let handle = thread::spawn(move || {
| ++++
For more information about this error, try `rustc --explain E0373`.
error: could not compile `threads` (bin "threads") due to 1 previous error
Rust는 v를 어떻게 캡처할지 추론하며, println!이 v에 대한 참조만 필요로 하기 때문에 클로저는 v를 빌리려고 시도한다. 그러나 문제가 있다. Rust는 생성된 스레드가 얼마나 오래 실행될지 알 수 없기 때문에 v에 대한 참조가 항상 유효한지 알 수 없다.
목록 16-4는 v에 대한 참조가 유효하지 않을 가능성이 더 높은 시나리오를 보여준다.
use std::thread;
fn main() {
let v = vec![1, 2, 3];
let handle = thread::spawn(|| {
println!("Here's a vector: {v:?}");
});
drop(v); // oh no!
handle.join().unwrap();
}v를 드롭한 후 v에 대한 참조를 캡처하려는 클로저가 있는 스레드Rust가 이 코드를 실행하도록 허용한다면, 생성된 스레드가 백그라운드로 즉시 이동되어 전혀 실행되지 않을 가능성이 있다. 생성된 스레드는 내부에 v에 대한 참조를 가지고 있지만, 메인 스레드는 15장에서 논의한 drop 함수를 사용해 즉시 v를 드롭한다. 그러면 생성된 스레드가 실행을 시작할 때 v는 더 이상 유효하지 않으므로, 그 참조도 무효가 된다. 큰 문제다!
목록 16-3의 컴파일 에러를 수정하기 위해 에러 메시지의 조언을 따를 수 있다.
help: to force the closure to take ownership of `v` (and any other referenced variables), use the `move` keyword
|
6 | let handle = thread::spawn(move || {
| ++++
클로저 앞에 move 키워드를 추가함으로써, 클로저가 사용하는 값의 소유권을 가져가도록 강제한다. Rust가 값을 빌리도록 추론하는 대신, 값을 소유하도록 만든다. 목록 16-5는 목록 16-3을 수정한 것으로, 의도한 대로 컴파일되고 실행된다.
use std::thread;
fn main() {
let v = vec![1, 2, 3];
let handle = thread::spawn(move || {
println!("Here's a vector: {v:?}");
});
handle.join().unwrap();
}
move 키워드를 사용해 클로저가 사용하는 값의 소유권을 강제로 가져가도록 함목록 16-4의 코드를 수정하기 위해 move 클로저를 사용해 같은 방법을 시도하고 싶을 수 있다. 그러나 이 수정은 작동하지 않는다. 목록 16-4가 시도하는 작업은 다른 이유로 허용되지 않기 때문이다. 클로저에 move를 추가하면 v를 클로저의 환경으로 이동시키고, 메인 스레드에서 더 이상 drop을 호출할 수 없게 된다. 대신 다음과 같은 컴파일 에러가 발생한다.
$ cargo run
Compiling threads v0.1.0 (file:///projects/threads)
error[E0382]: use of moved value: `v`
--> src/main.rs:10:10
|
4 | let v = vec![1, 2, 3];
| - move occurs because `v` has type `Vec<i32>`, which does not implement the `Copy` trait
5 |
6 | let handle = thread::spawn(move || {
| ------- value moved into closure here
7 | println!("Here's a vector: {v:?}");
| - variable moved due to use in closure
...
10 | drop(v); // oh no!
| ^ value used here after move
For more information about this error, try `rustc --explain E0382`.
error: could not compile `threads` (bin "threads") due to 1 previous error
Rust의 소유권 규칙이 다시 한번 우리를 구했다! 목록 16-3의 코드에서 에러가 발생한 이유는 Rust가 보수적으로 접근해 스레드에 대해 v를 빌려주기만 했기 때문이다. 이는 메인 스레드가 이론적으로 생성된 스레드의 참조를 무효화할 수 있다는 의미였다. Rust에게 v의 소유권을 생성된 스레드로 이동하라고 알림으로써, 메인 스레드가 더 이상 v를 사용하지 않을 것임을 보장한다. 목록 16-4를 같은 방식으로 변경하면, 메인 스레드에서 v를 사용하려고 할 때 소유권 규칙을 위반하게 된다. move 키워드는 Rust의 보수적인 기본값인 빌리기를 재정의한다. 하지만 소유권 규칙을 위반하도록 허용하지는 않는다.
이제 스레드가 무엇인지와 스레드 API가 제공하는 메서드를 살펴봤으니, 스레드를 사용할 수 있는 몇 가지 상황을 알아보자.