파이썬 프로그래밍을 하다 보면 멀티스레딩을 할 수 없어서 당황스러운 때가 있어요. 파이썬의 주요 특징이자 멀티스레드의 걸림돌인 GIL(Global Interpreter Lock)의 개념, 탄생 배경, 작동 원리, 성능 영향, 장단점 등을 살펴보고, 이러한 상황에서 멀티스레드의 대안은 무엇이 있는지까지 정리를 해 보도록 하겠습니다.
파이썬 멀티스레딩과 GIL의 한계
GIL이란 무엇인가?
파이썬을 사용하다 보면 멀티코어 CPU 환경에서 멀티스레딩을 활용해도 기대만큼 성능이 오르지 않아 당황스러울 때가 있습니다. 그 이유 중 하나가 바로 GIL(Global Interpreter Lock)입니다. GIL은 파이썬 인터프리터가 한 번에 하나의 스레드만 파이썬 바이트코드를 실행할 수 있도록 제한하는 메커니즘입니다.
이는 여러 사람이 동시에 말하려 할 때, 한 번에 한 사람에게만 마이크를 할당하여 마이크를 잡은 사람만 우선적으로 이야기를 할 수 있도록 함과 동시에 그의 이야기에 집중할 수 있도록 하는 상황과 비슷합니다.
GIL의 탄생 배경
파이썬은 1991년, 네덜란드 프로그래머 귀도 반 로섬이 크리스마스 연휴 동안 취미 삼아 만들면서 시작되었습니다. 당시 파이썬의 주요 목표 중 하나는 ‘단순함’과 ‘명확함’이었습니다. 이런 철학을 유지하면서도 메모리를 안정적으로 관리하기 위해 자동 메모리 관리(가비지 컬렉션)를 도입했고, 이를 안전하게 운영하기 위해 GIL이라는 장치를 사용하게 되었습니다.
당시 대부분의 컴퓨터가 싱글 코어였기 때문에, GIL로 인해 멀티코어를 제대로 활용하지 못한다는 문제가 크게 부각되지 않았습니다. 오히려 GIL 덕분에 싱글 스레드 성능을 최적화하고 C 확장 모듈과의 연동을 단순화할 수 있었습니다.
GIL의 작동 원리
GIL의 작동 원리는 비교적 단순합니다. 파이썬 인터프리터는 바이트코드를 실행할 때마다 GIL을 획득하고, 일정한 바이트코드가 실행되거나 I/O 작업을 만나면 GIL을 해제합니다. 이 때문에 여러 스레드가 동시에 실행되는 것처럼 보여도, 실제 바이트코드 실행 자체는 GIL을 획득한 단 하나의 스레드에서만 이뤄집니다. 다른 스레드는 GIL이 해제되기를 기다려야 하죠.
GIL이 파이썬 성능에 미치는 영향
- CPU 바운드 작업: 멀티코어 시스템에서도 한 번에 하나의 스레드만 실행되므로, CPU를 동시에 100% 활용하기 어렵습니다.
- I/O 바운드 작업: 네트워크 통신, 파일 입출력처럼 대기 시간이 많은 작업은 GIL의 영향을 비교적 적게 받습니다. 한 스레드가 I/O 대기 상태일 때 다른 스레드가 GIL을 획득해 실행될 수 있기 때문입니다.
- 싱글 스레드 최적화: GIL로 인해 싱글 스레드 성능을 높이는 데 유리한 측면도 있습니다.
GIL의 장단점
- 장점
- 메모리 관리가 단순해집니다.
- C 확장 모듈과의 통합이 쉬워집니다.
- 싱글 스레드 프로그램 작성 시 성능 최적화가 유리할 수 있습니다.
- 단점
- 멀티코어 CPU 성능을 충분히 활용하기 어렵습니다.
- CPU 바운드 작업에서 멀티스레딩의 이점을 얻기가 힘듭니다.
- 복잡한 멀티스레드 프로그램을 작성할 때, GIL의 존재를 고려해야 하므로 코드가 복잡해질 수 있습니다.
GIL 없이 살 수는 없을까?
오랫동안 많은 개발자들이 GIL을 제거하려 했지만, 이는 쉽지 않은 문제입니다. GIL을 제거하려면 파이썬 내부 구조를 크게 변경해야 하고, 기존 C 확장 모듈과의 호환성에도 영향을 줄 수 있습니다. 다행히 GIL이 없는 대안 구현체도 존재합니다. 예를 들어 Jython(자바로 구현된 파이썬), IronPython(.NET 기반 구현체)에는 GIL이 없습니다.
최근에는 파이썬 공식 해석기(CPython)에서도 GIL 제거를 시도하는 "PEP 703 – Making the Global Interpreter Lock Optional in CPython"이 제안되었습니다. 이 제안이 공식적으로 채택되어 개발이 완료된다면, 이후 버전에서 "free-threaded" 모드를 시험적으로 사용할 수 있을 거예요. 하지만, 파이썬 3.13 버전이 릴리즈 된 현재 이 부분에 대해 정확한 내용은 확인이 안 됐습니다. 좀 더 확인이 필요한 부분입니다.
파이썬에서 멀티스레드의 대안은 무엇일까?
멀티스레드에 대한 대안은 여러 가지를 생각해 볼 수 있을 거예요. 그중 가장 많이 알려진 방법은 다음과 같이 멀티프로세싱과 비동기 프로그램이 아닐까 싶습니다.
- 멀티프로세싱(multi-processing)
- GIL의 제약을 피하기 위해 프로세스를 여러 개 사용하는 방식입니다.
- 프로세스마다 별도의 메모리 공간을 사용하기 때문에, CPU-bound 작업에서도 병렬 처리가 가능합니다.
- 다만, 프로세스 간 통신(IPC, Inter-Process Communication)이 필요할 경우, 스레드 방식보다 오버헤드(비용)가 커질 수 있습니다.
- asyncio(비동기 I/O)
- 파이썬 3.4부터 도입된 라이브러리로, 이벤트 루프 기반의 비동기 프로그래밍 모델입니다.
- CPU-bound 작업을 “진짜” 병렬로 돌리지는 못하지만, I/O 작업을 코루틴( coroutine ) 형태로 구조화하여 스케줄링하기 때문에, 동시성(concurrency)을 높이는 데 유리합니다.
- 비동기 HTTP 요청, 소켓 통신, 파일 I/O 등 입출력 작업을 병렬처럼 처리할 때 사용합니다.