경쟁 조건이란 무엇인가?
2024-07-27
경쟁 조건은 일반적으로 다음과 같은 상황에서 발생합니다.
- 공유 자원에 대한 비동기 액세스: 여러 스레드 또는 프로세스가 동시에 공유 변수나 데이터 구조에 액세스할 수 있는 경우 경쟁 조건이 발생할 가능성이 높습니다. 예를 들어, 여러 스레드가 은행 계좌의 잔액을 업데이트하려고 하면 잘못된 잔액이 계산될 수 있습니다.
- 상태 검사 및 업데이트의 순서: 한 스레드가 다른 스레드가 상태를 변경할 기회를 갖기 전에 상태를 검사하고 업데이트하는 경우 경쟁 조건이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 한 스레드가 파일을 열고 내용을 읽고 다른 스레드가 파일을 닫고 삭제하는 경우 두 번째 스레드는 잘못된 파일 내용을 읽을 수 있습니다.
경쟁 조건을 방지하는 것은 복잡한 문제이며, 상황에 따라 다양한 해결 방법이 있습니다. 일반적인 해결 방법으로는 다음과 같은 방법이 있습니다.
- 뮤텍스 사용: 뮤텍스는 한 번에 하나의 스레드만 공유 자원에 액세스하도록 하는 메커니즘입니다. 이는 여러 스레드가 동시에 공유 자원을 수정하는 것을 방지하여 경쟁 조건을 방지하는 데 도움이 됩니다.
- 세마포어 사용: 세마포어는 제한된 수의 스레드가 동시에 특정 리소스에 액세스하도록 허용하는 메커니즘입니다. 이는 여러 스레드가 동시에 공유 자원을 사용하는 경우 발생할 수 있는 충돌을 방지하는 데 도움이 됩니다.
- 원자성 작업 사용: 원자성 작업은 단일 단계로 실행되고 중간에 중단될 수 없는 작업입니다. 여러 스레드가 동시에 공유 자원을 업데이트해야 하는 경우 원자성 작업을 사용하면 경쟁 조건을 방지하는 데 도움이 됩니다.
- 락킹 기법 사용: 락킹 기법은 여러 스레드가 동시에 공유 자원에 액세스하는 것을 제어하는 데 사용되는 다양한 기술을 포함합니다. 일반적인 락킹 기법으로는 선입선출(FIFO) 락, 뮤텍스 락 및 리더 락킹 등이 있습니다.
경쟁 조건은 복잡한 문제이며, 디버깅하기 어려울 수 있습니다. 하지만 위에서 설명한 해결 방법을 사용하여 경쟁 조건을 방지하고 안전하고 안정적인 프로그램을 작성할 수 있습니다.
경쟁 조건 예제 코드
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
int balance = 0;
void *thread_routine(void *arg) {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
balance++; // 예상치 못한 결과 발생 가능성이 높음
}
return NULL;
}
int main() {
pthread_t thread1, thread2;
pthread_create(&thread1, NULL, thread_routine, NULL);
pthread_create(&thread2, NULL, thread_routine, NULL);
pthread_join(thread1, NULL);
pthread_join(thread2, NULL);
printf("최종 잔액: %d\n", balance);
return 0;
}
이 코드에서 두 스레드는 balance 변수를 동시에 증가시키려고 합니다. 하지만 balance 변수는 한 번에 하나의 스레드만 액세스할 수 있도록 보호되지 않으므로 예상치 못한 결과가 발생할 수 있습니다. 실제 잔액은 2000이 되어야 하지만, 실제로는 2000보다 작거나 클 수 있습니다. 이는 두 스레드가 balance 변수를 증가시키는 작업을 동시에 수행하기 때문에 발생하는 문제입니다.
위 코드를 수정하여 경쟁 조건을 방지하려면 뮤텍스 또는 세마포어와 같은 동기화 메커니즘을 사용해야 합니다. 다음은 뮤텍스를 사용하여 수정된 코드입니다.
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
int balance = 0;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INIT;
void *thread_routine(void *arg) {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
pthread_mutex_lock(&mutex); // 뮤텍스 획득
balance++;
pthread_mutex_unlock(&mutex); // 뮤텍스 해제
}
return NULL;
}
int main() {
pthread_t thread1, thread2;
pthread_create(&thread1, NULL, thread_routine, NULL);
pthread_create(&thread2, NULL, thread_routine, NULL);
pthread_join(thread1, NULL);
pthread_join(thread2, NULL);
printf("최종 잔액: %d\n", balance);
return 0;
}
이 코드에서는 뮤텍스를 사용하여 balance 변수에 대한 액세스를 제어합니다. 한 번에 하나의 스레드만 뮤텍스를 획득할 수 있으므로 두 스레드가 동시에 balance 변수를 증가시키는 것을 방지하여 경쟁 조건을 방지할 수 있습니다.
경쟁 조건 방지 대체 방법
뮤텍스, 세마포어, 원자성 작업과 같은 다양한 동기화 메커니즘을 사용하여 경쟁 조건을 방지할 수 있습니다.
이 외에도 경쟁 조건을 방지하는 데 도움이 되는 몇 가지 대체 방법이 있습니다.
- 임계 구역 최소화: 임계 구역은 공유 자원에 액세스해야 하는 코드 영역입니다. 임계 구역을 최소화하면 경쟁 조건 발생 가능성을 줄일 수 있습니다.
- 불변 조건 사용: 불변 조건은 항상 참이어야 하는 프로그램 상태의 속성입니다. 불변 조건을 사용하면 코드를 검증하고 경쟁 조건이 발생할 가능성이 있는지 확인하는 데 도움이 될 수 있습니다.
- 데이터 레이아웃 최적화: 데이터 레이아웃을 최적화하면 여러 스레드가 공유 데이터에 액세스하는 방식을 개선하여 경쟁 조건 발생 가능성을 줄일 수 있습니다.
- CAS(Compare-And-Swap) 명령어 사용: CAS 명령어는 한 번에 하나의 메모리 위치를 업데이트하는 데 사용되는 특수 명령어입니다. CAS 명령어를 사용하면 경쟁 조건 없이 공유 변수를 안전하게 업데이트할 수 있습니다.
multithreading concurrency terminology
