[OS] 동기화(synchronization)의 필요성: 경쟁 조건(race condition), 임계 영역(critical section)

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💋 인트로

안녕하세요. 우아한테크코스 5기 깃짱이라고 합니다. 

이번 포스팅에서는, 동기화의 필요성에 대해서 이야기하면서, 관련 용어들을 정리해보려고 합니다. 

 

 

💋 동기화의 필요성

 

하나의 객체에 여러 개의 스레드가 접근한다면?

어떤 문제가 발생할 수 있을까?

 

✔️ 실습

 

예시를 통해 알아보자! (자세한 실습 코드는 이 링크 참고)

 

private static final class SynchronizedMethods {

	  private int sum = 0;
	
	  public void calculate() {
		  sum++;
	  }
}

 

calculate() 메서드를 동시에 1000개의 스레드가 호출한다고 해보자. 모든 스레드의 작업이 종료된 후 sum의 값은 1000일까?

 

 

우울하게도 아니다.

 

왜지?

 

✔️ CPU의 입장에서 생각해보자!

 

sum++은 우리가 보기엔 딱 한 줄이지만, CPU가 이 한 줄의 명령어를 어떻게 처리할 지에 대해서 생각해보면 쉽게 알 수 있다.

 

Assembly 언어로 아래 세 줄로 실행될 것이다.

 

LOAD sum to R1 
R1 = R1 + 1
STORE R1 to sum

 

여기서 R1은 스레드 1의 레지스터, 즉 CPU 내부에 있는 기억 장치로서, 데이터를 일시적으로 저장하고 연산을 하기 위한 용도다. sum은 Heap 영역(= 모든 스레드의 공통 메모리)에 저장된 변수다.

 

1. LOAD sum to R1: sum 변수의 값을 R1 레지스터에 로드
2. R1 = R1 + 1: R1 레지스터의 값을 1 증가
3. STORE R1 to sum: R1 레지스터의 값을 sum 변수에 저장

 

정확히 하나의 스레드가 들어와서 모든 과정을 통과한 후에 그 다음 스레드가 들어와서 변화한 sum을 가져와 실행하는 경우에만 결과값이 1000이 될 것이다.

 

최악의 경우에, 처음에 sum값이 0일 때 모든 스레드가 진입하고,

 

LOAD sum to R1 

 

이것만 실행한 후에 컨텍스트 스위칭 당해버린다면?

sum 값은 최종적으로 1이 될 수도 있다. 극단적이긴 하지만ㅋㅋㅋㅌㅌ

 

조회수, 좋아요 같은 곳에서 이런 일이 발생한다면 사실 알빠 X겠지만, 이게 잔고라면? 재고라면?

소송 당하지 않기 위해서 개발자는 ‘동기화’라는 것에 관심을 가져야 한다!

 

💋 어떻게 동기화 시킬까?

 

동기화라는 것도 사실 용어가 좀 낯설게 느껴지는데, 더 신기한 다른 단어들이 많다.

먼저 알고 넘어가자.

 

✔️ Race Condition (경쟁 조건)

여러 프로세스/스레드가 동시에 같은 데이터를 조작할 때,

타이밍이나 접근 순서에 따라 결과가 달라질 수 있는 상황

 

✔️ Synchronization (동기화)

여러 프로세스/스레드를 동시에 실행해도, 공유 데이터의 일관성을 유지하는 것

 

✔️ 컨텍스트 스위칭이 일어나지 않도록 하기 ⇒ 멀티 코어에서 무용지물

 

이 3가지 명령어를 실행하는 도중에 컨텍스트 스위칭이 일어나지 않도록 하면 된다.

 

LOAD sum to R1 
R1 = R1 + 1
STORE R1 to sum

 

그치만, 이 방법은 싱글 코어에서만 가능하고 멀티 코어에서는 불가능하다.

⇒ 2개의 코어에서 2개의 스레드를 갖고 접근한다면, 컨텍스트 스위칭은 고려할 것도 없이, 그냥 각기 다른 두 스레드의 접근 타이밍에 따라서 이미 결과가 망가지게 된다.

 

✔️ 메서드를 1개의 스레드만 실행할 수 있도록 하기?!!

 

Lock을 사용해서 increment() 메서드를 실행할 때, 이 메서드를 딱 1개의 스레드만 실행할 수 있도록 하는 건 어떨까?

한 스레드가 실행중이라면, 다른 스레드는 기다리게 하는 방식이라면 멀티 코어에서도 문제될 게 없을 것 같다!

 

✔️ Critical Section (임계 영역)

공유 데이터의 일관성을 보장하기 위해 하나의 프로세스/스레드만 진입해서 실행 가능한 영역

 

💋 Critical Section Problem

 

임계 영역의 큰 틀은 아래와 같다.

 

do {
	// enter section -> 임계 영역에 진입할 요건이 되는지 확인
	// critical section 
	// exit section -> 이후에 다른 스레드도 임계 영역에 진입할 수 있도록 처리
} while (true)

 

근데 임계 영역에도 ‘문제’라는 게 있다. 아무렇게나 만들었다고 다 임계 영역이 되지 않는다는 뜻.

 

아래 세 가지 조건을 만족해야 critical section 문제의 해결책이 될 수 있다.

 

1. mutual exclusion → 상호 배제. 한 번에 하나의 스레드만 임계영역에서 실행할 수 있다.
2. progress → 진행. 임계 영역이 비어있고, 여기 들어가고 싶은 스레드가 있다면 그중에 하나는 실행될 수 있어야 함. (진행이 계속 되어야 한다)
3. bounded waiting → 한정된 대기. 임계 영역에 못 들어간 스레드도 무한정 기다리면 안된다.

 

 

 

💋 참고자료

• https://www.baeldung.com/java-concurrency
• https://engineerinsight.tistory.com/199
• https://www.baeldung.com/java-synchronized
• https://www.baeldung.com/java-synchronization-bad-practices
• https://www.youtube.com/watch?v=vp0Gckz3z64&list=PLcXyemr8ZeoQOtSUjwaer0VMJSMfa-9G-&index=4

 

 

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