뮤텍스, 세마포어, 데드락

레이스 컨디션(Race Condition)과 동기화 기법의 필요성

레이스 컨디션은 여러 스레드가 동일한 자원에 동시에 접근하거나 작업을 수행할 때 발생하는 동기화 문제다. 각 스레드의 실행 순서에 따라 매번 결과가 달라질 수 있어 데이터 무결성이 깨지거나 의도치 않은 동작이 발생할 수 있다.

동기화 기법 Lock

멀티스레드 환경이나 멀티프로세스 시스템에서는 여러 작업이 동일한 자원에 동시에 접근할 경우 데이터 일관성이 깨지거나 충돌이 발생할 수 있다(Race Condition 문제). 이를 방지하기 위해 동기화(Synchronization) 기법이 필요하며, 이 중 가장 널리 사용되는 것이 바로 Lock 기법이다.

Lock은 특정 자원에 대한 접근 권한을 하나의 스레드나 프로세스가 독점적으로 가지도록 보장하여 충돌을 방지한다. 락을 사용하는 방식에는 여러 종류가 있으며, 각각의 특성과 사용 사례가 다르다.

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스핀락(Spin Lock)

스핀락은 이름처럼 계속 무한루프를 돌며 락의 상태를 확인하는 방식이다. 이는 대기 시간이 짧을 것으로 예상될 때 유용하지만, 대기가 오래 걸릴 경우, 계속 무한루프를 돌며 CPU를 소모하기 때문에 비효율적일 수 있다.

스핀락의 동작 방식

• 락이 해제될 때까지 루프를 돌면서 상태를 확인 (busy-waiting).
• 락이 해제되면 즉시 자원을 사용 가능.

장점

• 대기 시간이 짧은 경우 성능이 뛰어남.
• 문맥 전환(Context Switching)이 발생하지 않아 오버헤드가 적음.

단점

• 락을 오래 기다릴 경우 CPU 자원을 낭비.
• 단일 코어 환경에서는 비효율적.

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스핀락의 자원 사용 단점과 고급 락 기법

스핀락은 짧은 대기 시간에는 유용하지만, 대기 시간이 길거나 자원을 효과적으로 분배해야 하는 경우에는 적합하지 않, 이러한 단점을 해결하기 위해 고급 락 기법들이 사용된다. 대표적인 예로 뮤텍스(Mutex)와 세마포어(Semaphore)가 있다.

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뮤텍스(Mutex)

뮤텍스(Mutual Exclusion)는 상호 배제를 보장하는 락으로, 하나의 스레드만 특정 자원에 접근할 수 있도록 제한한다. 뮤텍스는 스핀락과 달리 자원이 사용 중일 때 대기 상태로 전환되어 CPU 자원을 절약한다.

특징

• 배타적 접근: 한 번에 하나의 스레드만 접근 가능.
• 블로킹 방식: 락을 사용할 수 없을 때 스레드를 대기 상태로 만듦.
• OS 지원: 커널 수준에서 구현되며, 프로세스 간 동기화도 가능.

사용 사례

• 단일 자원 보호: 파일 읽기/쓰기, 메모리 접근 등.
• 프로세스 간 동기화: 여러 프로세스가 공유 메모리를 사용할 때.

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세마포어(Semaphore)

세마포어는 동시 접근 가능한 스레드 수를 제한하는 동기화 기법이다. 접근 가능한 스레드 수가 1개 인 경우에는 이진 세마포어(Binary Semaphore), 그 외는 카운팅 세마포어(Counting Semaphore)라고 한다. 이진 세마포어는 뮤텍스와 유사한 방식으로 작동하지만, 카운팅을 증가/감소 시키는 행위에 집중하여 락을 획득한 스레드가 아닌 다른 스레드가 락을 해제할 수 있다.

특징

• 동시성 제어: 자원의 접근 가능한 개수를 설정.
• 카운트 방식: 세마포어의 초기값이 자원 개수를 나타냄.
• 블로킹 방식: 자원이 부족하면 대기 상태로 전환.

사용 사례

• 리소스 풀 관리: 데이터베이스 커넥션 풀, 네트워크 연결.
• 생산자-소비자 문제: 제한된 버퍼에서 데이터 생성과 소비 동기화.

코드 예시 (Java)

Semaphore semaphore = new Semaphore(3); // 동시에 3개까지 접근 가능

semaphore.acquire(); // 접근 권한 획득
try {
    // Critical Section
} finally {
    semaphore.release(); // 접근 권한 반환
}

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뮤텍스와 세마포어의 차이

구분뮤텍스(Mutex)세마포어(Semaphore)

접근 가능한 스레드 수	한 번에 1개	여러 개 (카운트로 관리)
주요 목적	상호 배제 (Mutual Exclusion)	동시성 제어 (Concurrency Control)
동작 방식	락을 소유한 스레드만 해제 가능	락 해제는 어느 스레드든 가능

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모니터 락(Monitor Lock)

모니터 락은 객체 단위로 동기화를 제공하는 고수준 락 기법으로, 언어 차원에서 지원된다. 예를 들어, Java의 synchronized 키워드가 이에 해당합니다.

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데드락(Deadlock)

데드락은 두 개 이상의 스레드가 서로의 자원을 기다리며 무한히 대기 상태에 빠지는 현상을 의미한다.

데드락 발생 조건 4 가지

1. 상호 배제(Mutual Exclusion): 자원은 한 번에 하나의 프로세스만 사용 가능.
2. 점유 대기(Hold and Wait): 자원을 점유한 상태에서 추가 자원을 요청.
3. 비선점(No Preemption): 자원을 강제로 빼앗을 수 없음.
4. 순환 대기(Circular Wait): 자원을 기다리는 프로세스 간에 순환 구조가 존재.

위 4가지 조건을 모두 충족하면 데드락이 발생한다.

데드락 방지, 회피, 복구 방법

1. 데드락 방지

위 4가지 조건 중 하나라도 충족되지 않으면 발생하지 않는다.

• 순서 정하기: 자원을 항상 정해진 순서로 요청. (오름차순으로 1, 4 순으로 요청은 가능하지만 4, 1 순으로 요청이 불가하도록 하여 순환 방지)
• 자원 점유 제한: 점유 상태에서 추가 자원 요청 금지. (점유 대기 방지)
• 필요한 자원을 한 번에 모두 얻고 시작하기 (점유 대기 방지) => 비효율적

2. 데드락 회피

• 은행원 알고리즘(Banker's Algorithm): 시스템 상태를 사전에 분석하여 안전 여부 판단. 데드락이 발생할 것 같은지 검사

3. 데드락 탐지 및 복구

• 프로세스 강제 종료: 데드락에 포함된 프로세스를 종료.
• 자원 선점: 자원을 강제로 해제하여 다른 프로세스에 할당.

데드락 탐지 방법

• 자원 할당 그래프(Resource Allocation Graph):
  • 자원과 프로세스를 노드로 표현하고, 자원 요청과 할당 관계를 간선으로 나타냄.
  • 순환(Cycle)이 발견되면 데드락이 발생한 것으로 판단.
• Wait-For 그래프(Wait-For Graph):
  • 프로세스 간의 대기 관계를 표현하는 그래프.
  • 순환 구조가 존재하면 데드락 발생.

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락 성능 최적화 기법

1. 락 경합(Contention) 감소

• 락 경합이 높은 경우, 데이터를 여러 부분으로 나누어 각기 다른 락을 사용.
• 예: Striped Lock 기법.

2. 락 시간 최소화

• 락을 거는 범위를 최소화하여 병렬성을 극대화.

3. 비동기 프로그래밍

• 락 대신 비동기 작업을 활용하여 동기화를 회피.
• 예: Java의 CompletableFuture, Node.js의 이벤트 루프.

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