교재에서는 c의 POSIX을 기반으로 진행되고 있고 Python을 공부 중이므로 Python의 threading로 해당 글을 진행합니다. threading 모듈은 OS의 저수준 스레딩 기능 위에 구축된 객체 지향 API로 Unix 계얼에서는 POSIX Thread(pthreads) 라이브러리를 기반으로 동작합니다.

Thread Creation

파이썬에서는 threading.Thread 객체를 만들어 스레드를 생성합니다. 핵심은 “어떤 함수를 어떤 인자로 실행할지"를 스레드 객체에 넘기고, start()로 실행을 시작하는 흐름입니다.

import threading

def worker(name, count):
    for i in range(count):
        print(f"[{threading.current_thread().name}] {name}: {i}")

# target: 새 스레드에서 실행할 함수
# args: target 함수에 전달할 인자 튜플
t1 = threading.Thread(target=worker, args=("A", 3), name="Thread-A")
t2 = threading.Thread(target=worker, args=("B", 3), name="Thread-B")

t1.start()
t2.start()

threading.Thread(...) 호출은 내부적으로 Thread.__init__(...) 인자와 매핑이 되죠죠

   def __init__(self, group=None, target=None, name=None,
                 args=(), kwargs=None, *, daemon=None, context=None):

group: 예약된 인자(현재는 None만 사용)
target: 새 스레드가 시작되면 실행할 함수
name: 디버깅/로그용 스레드 이름
args: target에 전달할 위치 인자 튜플
kwargs: target에 전달할 키워드 인자 딕셔너리
daemon: 메인 스레드 종료 시 함께 종료할 데몬 스레드 여부
context: 실행 컨텍스트 전달용 인자(버전에 따라 지원 여부가 다를 수 있음)

스레드를 생성하면 같은 프로세스 주소 공간을 공유하지만, 각 스레드는 자신만의 호출 스택을 가지고 독립적으로 실행됩니다.

Thread Completion

스레드를 만든 뒤 완료까지 기다리려면 join()을 호출해야 합니다. 즉, 메인 스레드(또는 호출한 스레드)는 대상 스레드가 끝날 때까지 대기합니다. 파이썬 시그니처는 다음과 같습니다.

def join(self, timeout=None):

timeout: 최대 대기 시간(초)입니다. None이면 종료될 때까지 계속 기다립니다.
반환값: join() 자체는 값을 반환하지 않고 단지 종료까지 기다리는 동기화만 담당합니다.

import threading
import time

def worker(name, delay):
    print(f"{name}: start")
    time.sleep(delay)
    print(f"{name}: end")

t1 = threading.Thread(target=worker, args=("T1", 1))
t2 = threading.Thread(target=worker, args=("T2", 2))

t1.start()
t2.start()

# 두 스레드가 끝날 때까지 대기
t1.join()
t2.join()
print("main: all threads completed")

OSTEP의 pthread_join(thread, value_ptr)와 비교하면 중요한 차이가 있습니다.
pthread_join()은 스레드의 반환값 포인터를 받을 수 있지만, threading.Thread.join()은 반환값을 직접 전달하지 않습니다. 스레드의 각 결과가 필요하면 아래 방식 중 하나를 사용합니다.

공유 객체(예: 리스트/딕셔너리)에 결과 저장 + 락으로 보호
queue.Queue에 결과 넣기
concurrent.futures.ThreadPoolExecutor로 Future.result() 사용

Python에서 thread를 돌릴 때 주의할 부분이 있습니다.

스레드를 만들자마자 즉시 join()하면 겹쳐 실행할 구간이 거의 없어 사실상 순차 실행과 비슷해집니다. 특히 CPython에서는 GIL 때문에 CPU-bound 작업의 병렬 이득이 원래 제한적이라, 이런 패턴은 효과가 더 줄어듭니다.
장시간 실행되는 서버/워커 모델은 스레드를 요청마다 생성,즉시 종료하지 않고 오래 유지해 계속 작업을 처리하므로, 매 작업마다 join()으로 기다리는 구조를 쓰지 않는 경우가 많습니다(보통 프로그램 종료 시점에만 정리).
join()은 완료 대기 도구일 뿐, 경쟁 조건을 막아주지는 않습니다, 하지만 병렬 작업에서는 여러 스레드의 계산이 끝난 뒤 다음 단계로 넘어가기 위한 동기화 지점(간단한 barrier)으로 자주 사용됩니다.

Locks

스레드 생성과 Join을 제외하고 스레드 라이브러리에서 중요한 함수는 임계 구역에 대한 상호 배제를 제공하는 함수들입니다.

원문(pthreads)의 핵심을 Python threading에 대입하면 pthread_mutex_lock/unlock은 Lock.acquire()/release() 또는 with lock:에 대응합니다.

아래 코드의 의도는 원문과 같습니다.

락이 비어 있으면 즉시 획득하고 임계 구역에 진입
다른 스레드가 락을 잡고 있으면 획득할 때까지 대기
락을 획득한 스레드만 해제해야 함

import threading

lock = threading.Lock()
counter = 0

def worker():
    global counter
    for _ in range(100000):
        # acquire + release를 안전하게 보장
        # lock을 획득해야만 counter += 1 로직 실행
        with lock:
            counter += 1

Lock.acquire()/release() 스레드가 acquire()를 호출하면 해당 스레드는 락을 획득(잠금)하여 다른 스레드의 접근을 차단하며, 작업 후 release()로 락을 해제해야 다른 스레드가 진입할 수 있습니다.

def acquire(self, blocking=True, timeout=-1):

lock.acquire(blocking=False)
- 락이 비어 있으면 즉시 획득하고 True를 반환
- 이미 다른 스레드가 락을 잡고 있으면 기다리지 않고 즉시 False를 반환
- 기다리지 않고 시도를 할 수 있어, 실패 시 다른 작업을 하거나 나중에 재시도할 때 유용
lock.acquire(timeout=...)
- 락을 최대 지정 시간(초)까지만 대기
- 시간 안에 획득하면 True, 시간 초과 시 False를 반환
- 무한 대기를 피하고, 잠금 획득 실패 시 대체 경로를 두고 싶은 경우에 유용

위 인자들로 다음과 같이 구현이 됩니다.

if lock.acquire(blocking=False):
    try:
        # 즉시 락 획득에 성공한 경우만 수행
        pass
    finally:
        lock.release()

# 최대 0.5초만 기다린 뒤 포기
if lock.acquire(timeout=0.5):
    try:
        pass
    finally:
        lock.release()

원문처럼 trylock/timedlock 스타일을 남용하면 코드 복잡도가 커질 수 있지만 교착 상태 회피나 무한 대기 방지가 필요한 상황에서는 중요합니다.

Condition Variables

조건 변수(threading.Condition)는 한 스레드가 상태 변화를 기다리고, 다른 스레드가 그 변화를 알리는(signal) 구조를 구현할 때 사용되며 데이터 전달 없이 상태 변화만 알립니다. Python 런타임은 조건 변수 관련 기능을 OS 동기화 기능을 래핑해서 제공합니다. 코드에서는 Condition API를 쓰고, 내부에서는 sleep/wakeup + lock 조합이 처리됩니다.

원문의 pthread_cond_wait/ pthread_cond_signal은 Python에서 다음과 같이 매칭되죠.

pthread_cond_wait(cond, mutex) = cond.wait()
pthread_cond_signal(cond) = cond.notify() (여러 개 깨우려면 cond.notify_all())

핵심은 c의 POSIX와 동일합니다.

조건 변수는 락과 함께 사용됩니다.
wait()는 락을 잡은 상태에서 호출합니다.
wait()는 내부적으로 잠들 때 락을 놓고, 깨어난 뒤 다시 락을 잡고 복귀합니다.
깨어났다고 ready 같은 조건식이 바로 참이라는 보장은 없습니다(가짜 깨움, 다른 스레드의 간섭 등). 그래서 if가 아니라 while로 조건을 재검사합니다.

import threading
import time

cond = threading.Condition()
ready = False

def waiter():
    global ready
    with cond:  # lock 획득
        while not ready:
            cond.wait()  # 잠들었다 깨어날 때 락을 다시 잡은 뒤 복귀, 그래도 ready가 거짓이면 반복 대기
        print("waiter: 조건 충족, 작업 진행")

def signaler():
    global ready
    time.sleep(0.05)  # waiter가 cond.wait()에 들어갈 시간 대기
    with cond:  # 상태 변경 + notify는 같은 lock 구역에서
        ready = True
        cond.notify()  # 대기 중 하나 깨우기

if __name__ == "__main__":
    t_wait = threading.Thread(target=waiter, name="waiter")
    t_sig = threading.Thread(target=signaler, name="signaler")
    t_wait.start()
    t_sig.start()
    t_wait.join()
    t_sig.join()
    print("main: 모든 스레드 종료")

위처럼 ready 수정과 notify()를 같은 임계 구역에서 수행해야 race condition을 줄일 수 있습니다. 단순 flag 스핀(while not ready: pass)으로 대기하는 방식은 CPU를 계속 차지하므로 cond.wait()로 CPU를 낭비하지 않고 대기하는 편이 낫습니다. 또한 타이밍 버그(비결정적인 동작) 등이 생길 수 있습니다.

Compiling and Running

OSTEP 소스 코드에 대한 컴파일 실행법입니다. [https://github.com/remzi-arpacidusseau/ostep-code()]https://github.com/remzi-arpacidusseau/ostep-code) 여기서 코드를 확인할 수 있지만, 이 글은 Python을 기준으로 진행했기 때문에 이 부분은 패스하겠습니다. (코드의 내용은 비슷한 방향으로 진행했습니다.)

Summary

스레드 생성, 잠금, 상호 배제, 조건 변수, 신호 및 대기 등 동시성 라이브러리의 기본을 소개했습니다. 더 많이 알고 싶고 더 저수준까지 알고 싶다면 Linux 등에서 man -k pthread로 인터페이스를 이루는 100개가 넘는 API를 확인할 수 있습니다. 스레드와 관련해 어려운 부분은 API가 아니라, 동시성 프로그램을 구축하는 과정 속의 복잡한 논리임을 생각하며 이 글을 마칩니다.

Thread API 가이드라인

스레드 간 잠금·신호 기능은 최대한 단순해야 합니다. 복잡해지면 스레드 상호작용 버그로 이어집니다.
스레드 간 상호작용은 최소화하세요. 각 상호작용은 신중하게 설계하고, 검증된 방식으로만 구성해야 합니다.
잠금과 조건 변수는 반드시 초기화하세요. 그렇지 않으면 간헐적으로 버그가 납니다.
반환 코드를 확인하세요.(C/Unix 프로그래밍 관례 기준.)
스레드에 인자를 넘기거나 값을 돌려줄 때는 각별히 주의하세요. 특히 스택에 올린 지역 변수에 대한 참조를 넘기는 경우는 거의 항상 잘못된 패턴입니다.
스레드마다 호출 스택이 따로 있으므로, 값을 공유하려면 힙이나 다른 스레드에서도 접근 가능한 저장 위치를 써야 합니다.
Linux의 pthread 매뉴얼은 매우 유용합니다.(Python은 공식 문서를 참고하세요.)

WSL, man -k pthread

Windows의 WSL에서 man -k pthread로 찾아본 결과, 이 환경에선 페이지 단위로 74개가 잡혔습니다(원문이 말하는 “100개 이상”은 배포판·man 인덱스 범위에 따라 달라질 수 있습니다).

pthread_attr_*: 생성 옵션(스택·detach·스케줄·시그널 마스크·affinity) → pthread_create 연동
pthread_create/join/detach/exit: 생성·종료 동기화·detach·종료
pthread_cancel/pthread_cleanup_*/pthread_testcancel: 취소·청소 스택·취소 지점 테스트
pthread_getsched*/pthread_setsched*: 스케줄 정책·우선순위(유효 범위: OS/권한)
*_affinity*_np: 논리 CPU 관련
pthread_kill/pthread_sigmask/pthread_sigqueue: 스레드별 시그널·블록 마스크·큐잉(+데이터)
pthread_mutex*/mutexattr_*: 뮤텍스 + 속성(pshared, robust 등)
pthread_rwlockattr_*: rwlock 속성, 아래에 pthread_rwlock_*는 없음
pthread_spin_*: 스핀락
세마포어(sem_* 등): pthread_* 검색 범위 밖이라 위 목록에 잘 안 끼는 경우 많음
pthread_yield(계열): 스레드 락 양보 힌트(동작 보장은 약함)

터미널 원문은 다음과 같습니다.

root@DESKTOP-7DV25NI:~# man -k pthread
pthread_attr_destroy (3) - initialize and destroy thread attributes object
pthread_attr_getaffinity_np (3) - set/get CPU affinity attribute in thread attributes object
pthread_attr_getdetachstate (3) - set/get detach state attribute in thread attributes object
pthread_attr_getguardsize (3) - set/get guard size attribute in thread attributes object
pthread_attr_getinheritsched (3) - set/get inherit-scheduler attribute in thread attributes object
pthread_attr_getschedparam (3) - set/get scheduling parameter attributes in thread attributes object
pthread_attr_getschedpolicy (3) - set/get scheduling policy attribute in thread attributes object
pthread_attr_getscope (3) - set/get contention scope attribute in thread attributes object
pthread_attr_getsigmask_np (3) - set/get signal mask attribute in thread attributes object
pthread_attr_getstack (3) - set/get stack attributes in thread attributes object
pthread_attr_getstackaddr (3) - set/get stack address attribute in thread attributes object
pthread_attr_getstacksize (3) - set/get stack size attribute in thread attributes object
pthread_attr_init (3) - initialize and destroy thread attributes object
pthread_attr_setaffinity_np (3) - set/get CPU affinity attribute in thread attributes object
pthread_attr_setdetachstate (3) - set/get detach state attribute in thread attributes object
pthread_attr_setguardsize (3) - set/get guard size attribute in thread attributes object
pthread_attr_setinheritsched (3) - set/get inherit-scheduler attribute in thread attributes object
pthread_attr_setschedparam (3) - set/get scheduling parameter attributes in thread attributes object
pthread_attr_setschedpolicy (3) - set/get scheduling policy attribute in thread attributes object
pthread_attr_setscope (3) - set/get contention scope attribute in thread attributes object
pthread_attr_setsigmask_np (3) - set/get signal mask attribute in thread attributes object
pthread_attr_setstack (3) - set/get stack attributes in thread attributes object
pthread_attr_setstackaddr (3) - set/get stack address attribute in thread attributes object
pthread_attr_setstacksize (3) - set/get stack size attribute in thread attributes object
pthread_cancel (3)   - send a cancellation request to a thread
pthread_cleanup_pop (3) - push and pop thread cancellation clean-up handlers
pthread_cleanup_pop_restore_np (3) - push and pop thread cancellation clean-up handlers while saving cancelability type
pthread_cleanup_push (3) - push and pop thread cancellation clean-up handlers
pthread_cleanup_push_defer_np (3) - push and pop thread cancellation clean-up handlers while saving cancelability type
pthread_create (3)   - create a new thread
pthread_detach (3)   - detach a thread
pthread_equal (3)    - compare thread IDs
pthread_exit (3)     - terminate calling thread
pthread_getaffinity_np (3) - set/get CPU affinity of a thread
pthread_getattr_default_np (3) - get or set default thread-creation attributes
pthread_getattr_np (3) - get attributes of created thread
pthread_getconcurrency (3) - set/get the concurrency level
pthread_getcpuclockid (3) - retrieve ID of a threads CPU time clock
pthread_getname_np (3) - set/get the name of a thread
pthread_getschedparam (3) - set/get scheduling policy and parameters of a thread
pthread_join (3)     - join with a terminated thread
pthread_kill (3)     - send a signal to a thread
pthread_kill_other_threads_np (3) - terminate all other threads in process
pthread_mutex_consistent (3) - make a robust mutex consistent
pthread_mutex_consistent_np (3) - make a robust mutex consistent
pthread_mutexattr_getpshared (3) - get/set process-shared mutex attribute
pthread_mutexattr_getrobust (3) - get and set the robustness attribute of a mutex attributes object
pthread_mutexattr_getrobust_np (3) - get and set the robustness attribute of a mutex attributes object
pthread_mutexattr_setpshared (3) - get/set process-shared mutex attribute
pthread_mutexattr_setrobust (3) - get and set the robustness attribute of a mutex attributes object
pthread_mutexattr_setrobust_np (3) - get and set the robustness attribute of a mutex attributes object
pthread_rwlockattr_getkind_np (3) - set/get the read-write lock kind of the thread read-write lock attribute object
pthread_rwlockattr_setkind_np (3) - set/get the read-write lock kind of the thread read-write lock attribute object
pthread_self (3)     - obtain ID of the calling thread
pthread_setaffinity_np (3) - set/get CPU affinity of a thread
pthread_setattr_default_np (3) - get or set default thread-creation attributes
pthread_setcancelstate (3) - set cancelability state and type
pthread_setcanceltype (3) - set cancelability state and type
pthread_setconcurrency (3) - set/get the concurrency level
pthread_setname_np (3) - set/get the name of a thread
pthread_setschedparam (3) - set/get scheduling policy and parameters of a thread
pthread_setschedprio (3) - set scheduling priority of a thread
pthread_sigmask (3)  - examine and change mask of blocked signals
pthread_sigqueue (3) - queue a signal and data to a thread
pthread_spin_destroy (3) - initialize or destroy a spin lock
pthread_spin_init (3) - initialize or destroy a spin lock
pthread_spin_lock (3) - lock and unlock a spin lock
pthread_spin_trylock (3) - lock and unlock a spin lock
pthread_spin_unlock (3) - lock and unlock a spin lock
pthread_testcancel (3) - request delivery of any pending cancellation request
pthread_timedjoin_np (3) - try to join with a terminated thread
pthread_tryjoin_np (3) - try to join with a terminated thread
pthread_yield (3)    - yield the processor
pthreads (7)         - POSIX threads

추가로 세마포어도 하면

root@DESKTOP-7DV25NI:~# man -k sem
apt-patterns (7)     - Syntax and semantics of apt search patterns
as (1)               - the portable GNU assembler.
bsd_signal (3)       - signal handling with BSD semantics
gpgparsemail (1)     - Parse a mail message into an annotated format
sem_close (3)        - close a named semaphore
sem_destroy (3)      - destroy an unnamed semaphore
sem_getvalue (3)     - get the value of a semaphore
sem_init (3)         - initialize an unnamed semaphore
sem_open (3)         - initialize and open a named semaphore
sem_overview (7)     - overview of POSIX semaphores
sem_post (3)         - unlock a semaphore
sem_timedwait (3)    - lock a semaphore
sem_trywait (3)      - lock a semaphore
sem_unlink (3)       - remove a named semaphore
sem_wait (3)         - lock a semaphore
semanage.conf (5)    - global configuration file for the SELinux Management library
semctl (2)           - System V semaphore control operations
semget (2)           - get a System V semaphore set identifier
semop (2)            - System V semaphore operations
semtimedop (2)       - System V semaphore operations
sigisemptyset (3)    - POSIX signal set operations
smartpqi (4)         - Microsemi Smart Family SCSI driver
sysv_signal (3)      - signal handling with System V semantics
x86_64-linux-gnu-as (1) - the portable GNU assembler.

Operating Systems: Three Easy Pieces - Thread API

Thread Creation

Thread Completion

Locks

Condition Variables

Compiling and Running

Summary

Thread API 가이드라인

WSL, man -k pthread

💬 댓글

Thread Creation#

Thread Completion#

Locks#

Condition Variables#

Compiling and Running#

Summary#

Thread API 가이드라인#

WSL, man -k pthread#

💬 댓글

Thread Creation

Thread Completion

Locks

Condition Variables

Compiling and Running

Summary

Thread API 가이드라인

WSL, man -k pthread