간단한 멀티스레드 프로그램 구현
실습 개요
이 절에서는 지금까지 학습한 멀티쓰레딩 개념을 실제로 적용하여 간단한 멀티스레드 프로그램을 구현해봅니다.
여러 예제를 통해 멀티쓰레딩의 기본 원리와 주의점을 익힐 수 있습니다.
병렬 벡터 합 계산
첫 번째 실습으로, 큰 벡터의 모든 요소의 합을 병렬로 계산하는 프로그램을 구현해 봅시다.
순차적 구현
#include <iostream>
#include <vector>
#include <numeric>
#include <chrono>
long long sequential_sum(const std::vector<int>& vec) {
return std::accumulate(vec.begin(), vec.end(), 0LL);
}
int main() {
const size_t size = 100000000;
std::vector<int> vec(size, 1); // 1로 초기화된 큰 벡터
auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
long long sum = sequential_sum(vec);
auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
std::chrono::duration<double> diff = end - start;
std::cout << "Sum: " << sum << std::endl;
std::cout << "Time taken: " << diff.count() << " seconds" << std::endl;
return 0;
}병렬 구현
#include <iostream>
#include <vector>
#include <thread>
#include <numeric>
#include <chrono>
void partial_sum(const std::vector<int>& vec, size_t start, size_t end, long long& result) {
result = std::accumulate(vec.begin() + start, vec.begin() + end, 0LL);
}
long long parallel_sum(const std::vector<int>& vec, size_t num_threads) {
std::vector<std::thread> threads;
std::vector<long long> partial_results(num_threads);
size_t chunk_size = vec.size() / num_threads;
for (size_t i = 0; i < num_threads; ++i) {
size_t start = i * chunk_size;
size_t end = (i == num_threads - 1) ? vec.size() : (i + 1) * chunk_size;
threads.emplace_back(partial_sum, std::ref(vec), start, end, std::ref(partial_results[i]));
}
for (auto& t : threads) {
t.join();
}
return std::accumulate(partial_results.begin(), partial_results.end(), 0LL);
}
int main() {
const size_t size = 100000000;
std::vector<int> vec(size, 1); // 1로 초기화된 큰 벡터
auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
long long sum = parallel_sum(vec, 4); // 4개의 스레드 사용
auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
std::chrono::duration<double> diff = end - start;
std::cout << "Sum: " << sum << std::endl;
std::cout << "Time taken: " << diff.count() << " seconds" << std::endl;
return 0;
}병렬 행렬 곱셈
두 번째 실습으로, 두 행렬의 곱셈을 병렬로 수행하는 프로그램을 구현해 봅시다.
행렬 클래스 정의
#include <vector>
#include <stdexcept>
class Matrix {
private:
std::vector<std::vector<int>> data;
size_t rows, cols;
public:
Matrix(size_t r, size_t c) : rows(r), cols(c), data(r, std::vector<int>(c, 0)) {}
int& at(size_t r, size_t c) { return data[r][c]; }
const int& at(size_t r, size_t c) const { return data[r][c]; }
size_t get_rows() const { return rows; }
size_t get_cols() const { return cols; }
};순차적 행렬 곱셈
Matrix sequential_multiply(const Matrix& a, const Matrix& b) {
if (a.get_cols() != b.get_rows()) {
throw std::invalid_argument("Matrix dimensions do not match for multiplication");
}
Matrix result(a.get_rows(), b.get_cols());
for (size_t i = 0; i < a.get_rows(); ++i) {
for (size_t j = 0; j < b.get_cols(); ++j) {
for (size_t k = 0; k < a.get_cols(); ++k) {
result.at(i, j) += a.at(i, k) * b.at(k, j);
}
}
}
return result;
}병렬 행렬 곱셈
#include <thread>
void multiply_row(const Matrix& a, const Matrix& b, Matrix& result, size_t row) {
for (size_t j = 0; j < b.get_cols(); ++j) {
for (size_t k = 0; k < a.get_cols(); ++k) {
result.at(row, j) += a.at(row, k) * b.at(k, j);
}
}
}
Matrix parallel_multiply(const Matrix& a, const Matrix& b, size_t num_threads) {
if (a.get_cols() != b.get_rows()) {
throw std::invalid_argument("Matrix dimensions do not match for multiplication");
}
Matrix result(a.get_rows(), b.get_cols());
std::vector<std::thread> threads;
size_t rows_per_thread = a.get_rows() / num_threads;
for (size_t i = 0; i < num_threads; ++i) {
size_t start_row = i * rows_per_thread;
size_t end_row = (i == num_threads - 1) ? a.get_rows() : (i + 1) * rows_per_thread;
threads.emplace_back([&, start_row, end_row]() {
for (size_t row = start_row; row < end_row; ++row) {
multiply_row(a, b, result, row);
}
});
}
for (auto& t : threads) {
t.join();
}
return result;
}생산자-소비자 문제
세 번째 실습으로, 생산자-소비자 패턴을 구현해 봅시다.
스레드 안전 큐 구현
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
template<typename T>
class ThreadSafeQueue {
private:
std::queue<T> queue;
mutable std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
public:
void push(T value) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
queue.push(std::move(value));
cv.notify_one();
}
T pop() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock, [this] { return !queue.empty(); });
T value = std::move(queue.front());
queue.pop();
return value;
}
bool empty() const {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
return queue.empty();
}
};생산자와 소비자 함수 구현
#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
void producer(ThreadSafeQueue<int>& queue, int count) {
for (int i = 0; i < count; ++i) {
queue.push(i);
std::cout << "Produced: " << i << std::endl;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
}
}
void consumer(ThreadSafeQueue<int>& queue, int count) {
for (int i = 0; i < count; ++i) {
int value = queue.pop();
std::cout << "Consumed: " << value << std::endl;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(150));
}
}
int main() {
ThreadSafeQueue<int> queue;
const int item_count = 20;
std::thread prod(producer, std::ref(queue), item_count);
std::thread cons(consumer, std::ref(queue), item_count);
prod.join();
cons.join();
return 0;
}연습 문제
- 병렬 벡터 합 계산 프로그램을
std::async를 사용하여 다시 구현해보세요. - 생산자-소비자 문제를 여러 생산자와 여러 소비자가 동작하도록 확장해보세요.
- 병렬 정렬 알고리즘(예 : 병렬 머지 정렬)을 구현해보세요.
- 스레드 풀(Thread Pool)을 구현하고, 이를 사용하여 작업을 병렬로 처리하는 프로그램을 작성해보세요.
참고자료
- "C++ Concurrency in Action" by Anthony Williams
- "Effective Modern C++" by Scott Meyers (특히 동시성 관련 항목들)
- C++ 표준 문서의 스레드 및 동시성 관련 섹션
- Intel Threading Building Blocks (TBB) 문서
- "The Art of Multiprocessor Programming" by Maurice Herlihy and Nir Shavit