병렬 프로그래밍 입문: 개념과 필요성

컴퓨터 성능을 높이는 방법에는 여러 가지가 있지만, 대표적인 방식 중 하나가 병렬 프로그래밍(Parallel Programming)입니다. 병렬 프로그래밍은 여러 개의 작업을 동시에 실행하여 연산 속도를 높이는 기술입니다.

과거에는 CPU의 클럭 속도를 증가시키는 방식으로 성능을 개선할 수 있었지만, 발열과 전력 소모 문제로 인해 클럭 속도를 무한정 높이는 것이 불가능해졌습니다. 이에 따라 멀티코어 프로세서가 등장했고, 이를 효과적으로 활용하기 위해 병렬 프로그래밍이 필수적인 기술이 되었습니다.

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2. 병렬 프로그래밍이 필요한 이유

① 멀티코어 시대의 필수 기술

오늘날 대부분의 CPU는 여러 개의 코어를 가지고 있습니다. 단일 코어에서만 실행되는 프로그램은 전체 CPU 성능을 활용하지 못합니다. 병렬 프로그래밍을 통해 여러 코어를 활용하면 성능을 극대화할 수 있습니다.

② 고성능 연산 요구 증가

딥러닝, 데이터 분석, 영상 처리와 같은 분야에서는 대량의 연산을 빠르게 처리해야 합니다. 이런 작업을 단일 스레드로 수행하면 매우 느리지만, 병렬 프로그래밍을 활용하면 연산 시간을 크게 줄일 수 있습니다.

③ 실시간 시스템 및 로봇 제어

로봇이나 자율 주행 시스템에서는 여러 센서에서 들어오는 데이터를 동시에 처리해야 합니다. 이때 병렬 프로그래밍을 활용하면 더 빠르고 안정적인 제어가 가능합니다.

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3. 병렬 프로그래밍의 기본 개념

병렬 프로그래밍을 이해하기 위해 몇 가지 핵심 개념을 알아야 합니다.

① 멀티스레딩(Multithreading)과 멀티프로세싱(Multiprocessing)

• 멀티스레딩: 하나의 프로세스 내에서 여러 개의 스레드가 실행되는 방식
• 멀티프로세싱: 여러 개의 프로세스를 실행하여 병렬성을 확보하는 방식

② 동기(Synchronous)와 비동기(Asynchronous) 실행

• 동기 실행: 한 작업이 끝난 후 다음 작업이 실행되는 방식
• 비동기 실행: 여러 작업이 동시에 실행될 수 있는 방식

③ 공유 메모리와 메시지 패싱

• 공유 메모리: 여러 스레드가 같은 메모리 공간을 공유하여 데이터를 주고받는 방식
• 메시지 패싱: 프로세스 간 데이터를 주고받을 때 메시지를 사용하여 통신하는 방식

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4. 병렬 프로그래밍의 주요 기술

병렬 프로그래밍을 구현하는 방법에는 여러 가지가 있습니다.

기술	설명	대표적인 API
POSIX Threads (Pthreads)	C 언어 기반의 스레드 프로그래밍 API	pthread_create()
OpenMP	컴파일러 기반의 병렬 프로그래밍 지원	#pragma omp parallel
C++ Standard Threads	C++11부터 제공되는 표준 스레드 라이브러리	std::thread
CUDA & OpenCL	GPU 가속을 활용한 병렬 연산	cudaMemcpy(), clEnqueueNDRangeKernel()
MPI (Message Passing Interface)	분산 시스템에서 사용되는 병렬 프로그래밍 라이브러리	MPI_Send(), MPI_Recv()

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5. 간단한 멀티스레드 예제 (C++ 표준 라이브러리 사용)

다음은 C++의 std::thread를 사용하여 두 개의 스레드가 동시에 실행되는 예제입니다.

#include <iostream>
#include <thread>

void print_message(const std::string& msg) {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout << msg << " 실행 중... " << i << std::endl;
    }
}

int main() {
    std::thread t1(print_message, "스레드 1");
    std::thread t2(print_message, "스레드 2");

    t1.join();  // 스레드 1이 종료될 때까지 기다림
    t2.join();  // 스레드 2가 종료될 때까지 기다림

    std::cout << "메인 함수 종료" << std::endl;
    return 0;
}

실행 결과 예시

스레드 1 실행 중... 0
스레드 2 실행 중... 0
스레드 1 실행 중... 1
스레드 2 실행 중... 1
...
메인 함수 종료

이 코드에서 std::thread를 사용하여 두 개의 작업이 병렬로 실행됩니다.

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6. 정리

이번 글에서는 병렬 프로그래밍의 개념과 필요성, 주요 기술에 대해 설명했습니다. 병렬 프로그래밍은 멀티코어 프로세서를 효과적으로 활용하는 필수적인 기술이며, 다양한 API와 라이브러리를 활용하여 구현할 수 있습니다.

다음 포스팅에서는 "POSIX Threads로 멀티스레딩 구현하기"를 주제로 다룰 예정입니다. Pthreads는 리눅스 환경에서 가장 많이 사용되는 스레드 API이며, 실제 시스템 소프트웨어 개발에서도 중요한 역할을 합니다.