[Rust] 동시성 프로그래밍: thread, Mutex, Arc 사용 예제

Rust 동시성 프로그래밍: 안전하고 고성능으로 작업 처리하기

Rust는 메모리 안전성과 성능을 동시에 제공하면서 동시성 프로그래밍의 복잡성을 줄이는 데 최적화된 언어입니다. 이 글에서는 Rust 동시성 프로그래밍의 주요 개념과 사용 방법을 구체적이고 구조적으로 살펴봅니다.

 

동시성 프로그래밍에 대해서 이해했다면, 깊이 있게 thread와 scope를 비교하려면 이 글을 방문하세요!

[Rust/Libraries] - [Rust] spawn와 scope의 차이 (std::thread): 개념과 예제

Arc, Mutex를 사용하는 방법이 자세히 궁금하다면 아래 글을 통해 예제를 확인하세요!

[Rust/Libraries] - [Rust] Arc, Mutex: 개념과 예제, 사용법

---

1. 동시성과 병렬성의 차이

동시성은 여러 작업을 순차적으로 또는 번갈아가며 실행하는 것을 의미하고, 병렬성은 여러 작업을 동시에 실행하는 것을 말합니다.

---

2. Rust에서 동시성 프로그래밍을 위한 도구

2.1 스레드 기반 프로그래밍

Rust의 std::thread 모듈은 스레드를 생성하고 관리할 수 있는 API를 제공합니다.

• 스레드 생성 및 실행

use std::thread;

fn main() {
    let handle = thread::spawn(|| {
        for i in 1..5 {
            println!("스레드에서 실행 중: {}", i);
        }
    });

    for i in 1..5 {
        println!("메인 스레드에서 실행 중: {}", i);
    }

    handle.join().unwrap();
}

• thread::spawn: 새로운 스레드를 생성합니다.
• join: 생성된 스레드가 완료될 때까지 기다립니다.

---

2.2 데이터 공유와 동기화

Rust는 소유권 모델을 기반으로 데이터 경쟁을 방지합니다. 여러 스레드에서 데이터를 안전하게 공유하려면 **Mutex와 Arc**를 사용합니다.

• Mutex와 Arc 사용 예제

use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;

fn main() {
    let counter = Arc::new(Mutex::new(0));
    let mut handles = vec![];

    for _ in 0..10 {
        let counter = Arc::clone(&counter);
        handles.push(thread::spawn(move || {
            let mut num = counter.lock().unwrap();
            *num += 1;
        }));
    }

    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }

    println!("최종 카운터 값: {}", *counter.lock().unwrap());
}

• Mutex: 데이터에 대한 상호 배제를 보장합니다.
• Arc: 다중 스레드에서 안전하게 데이터를 공유하도록 해줍니다.

---

2.3 비동기 프로그래밍 (async/await)

Rust는 비동기 프로그래밍을 통해 효율적인 I/O 작업 처리를 지원합니다. 비동기 작업은 Tokio와 같은 런타임을 통해 실행됩니다.

• 비동기 프로그래밍 예제

use tokio;

#[tokio::main]
async fn main() {
    let task1 = tokio::spawn(async {
        println!("작업 1 실행 중");
    });

    let task2 = tokio::spawn(async {
        println!("작업 2 실행 중");
    });

    task1.await.unwrap();
    task2.await.unwrap();
}

• async: 비동기 작업을 정의합니다.
• await: 비동기 작업의 완료를 기다립니다.

---

3. 동시성에서 Rust의 강점

3.1 Send와 Sync 트레이트

• Send: 데이터가 스레드 간 안전하게 이동할 수 있음을 보장합니다.
• Sync: 데이터가 여러 스레드에서 동시 읽기에 안전함을 보장합니다.

Rust의 컴파일러는 이 두 트레이트를 자동으로 적용해 동시성 관련 오류를 방지합니다.

3.2 데이터 경쟁 방지

Rust의 소유권 및 빌림 규칙은 데이터 경쟁을 근본적으로 방지하며, 동시성 코드에서 발생할 수 있는 잠재적인 문제를 컴파일 타임에 잡아냅니다.

---

4. 고수준 동시성: Rayon을 활용한 데이터 병렬성

Rust의 Rayon 라이브러리는 반복자 기반 병렬 처리를 간단히 구현할 수 있도록 지원합니다.

• Rayon 예제

use rayon::prelude::*;

fn main() {
    let numbers: Vec<i32> = (1..=100).collect();
    let sum: i32 = numbers.par_iter().sum();

    println!("병렬 합계: {}", sum);
}

• par_iter: 반복자를 병렬로 처리합니다.
• 병렬 처리를 통해 성능을 대폭 향상할 수 있습니다.

---

5. Rust 동시성의 실제 사용 사례

Rust의 동시성 프로그래밍은 다음과 같은 분야에서 광범위하게 사용됩니다:

• 웹 서버: Actix 및 Warp와 같은 Rust 프레임워크는 고성능 웹 애플리케이션 개발에 최적화되어 있습니다.
• 네트워킹: 비동기 네트워크 프로그래밍을 위한 Tokio 기반 애플리케이션.
• 데이터 분석: Rayon을 사용한 대규모 데이터 병렬 처리.

---

F&Q: 자주 묻는 질문

Q1. Rust에서 동시성 코드는 왜 더 안전한가요?
A1. Rust는 소유권 시스템과 Send, Sync 트레이트를 통해 동시성 코드를 안전하게 만듭니다. 데이터 경쟁이나 잘못된 동기화로 인한 오류를 컴파일 단계에서 방지합니다.

Q2. Mutex와 Arc를 함께 사용하는 이유는?
A2. Mutex는 데이터에 대한 상호 배제를, Arc는 여러 스레드 간 안전한 데이터 공유를 가능하게 합니다.

Q3. 비동기와 병렬성의 차이는 무엇인가요?
A3. 비동기는 주로 I/O 작업에 적합하며, 병렬성은 CPU 집약적인 작업에 적합합니다.

---

결론

Rust의 동시성 프로그래밍은 안전성과 성능의 균형을 맞추는 데 탁월합니다. 스레드 기반 모델, 비동기 프로그래밍, 고수준 병렬 처리를 모두 지원하여 다양한 작업에 적합한 솔루션을 제공합니다. Rust를 사용하면 복잡한 동시성 문제를 해결하면서도 높은 성능을 유지할 수 있습니다.