실행 동기화

락은 멀티스레드 프로그래이밍에서 공유 자원에 대한 접근을 제어하는 가장 기본적인 동기화 도구이다. 락은 상호 배제를 보장하기 위해 사용되며, 하나의 스레드가 락을 획득하면 다른 스레드들은 그 락이 해제될 때까지 대기하게 된다. 이를 통해 여러 스레드가 동시에 임계 구역에 진입하는 것을 방지하여 데이터 일관성을 유지하고 경쟁 조건을 예방한다.

락의 구현 방식은 다양하다. 하드웨어 수준에서는 테스트 앤드 셋이나 컴페어 앤드 스왑과 같은 원자적 명령어를 기반으로 간단한 스핀락을 구현할 수 있다. 운영체제 커널 수준에서는 스레드의 대기와 깨움을 효율적으로 관리하는 뮤텍스를 제공하며, 프로그래밍 언어나 라이브러리 수준에서는 이들 저수준 메커니즘을 추상화한 고수준 락 객체를 제공한다.

락을 사용할 때는 주의해야 할 문제점이 있다. 가장 대표적인 것은 교착 상태로, 두 개 이상의 스레드가 서로 상대방이 가진 락을 기다리며 무한정 대기하게 되는 상황이다. 또한 락을 공정하게 획득하지 못해 특정 스레드가 계속해서 자원을 사용하지 못하는 기아 상태가 발생할 수도 있다. 따라서 락의 획득과 해제 순서를 신중하게 설계하고, 가능하면 짧은 시간 동안만 락을 보유하도록 하는 것이 중요하다.

세마포어는 에츠허르 데이크스트라가 제안한 동시성 제어 메커니즘이다. 정수형 변수와 대기 큐, 그리고 이 변수를 조작하는 두 개의 원자적 연산인 wait(또는 P 연산)과 signal(또는 V 연산)으로 구성된다. 세마포어의 값은 일반적으로 사용 가능한 공유 자원의 개수를 의미하며, wait 연산은 이 값을 감소시키고 자원을 확보하며, signal 연산은 값을 증가시키고 자원을 반납한다. 만약 wait 연산을 호출했을 때 세마포어 값이 0 이하라면, 해당 실행 흐름은 대기 큐에서 블록(block) 상태가 된다.

세마포어는 크게 계수 세마포어와 이진 세마포어로 구분된다. 계수 세마포어는 가용 자원이 여러 개인 경우에 사용되며, 그 값의 범위가 제한되지 않는다. 반면 이진 세마포어는 값이 0 또는 1만을 가지며, 하나의 자원에 대한 상호 배제를 구현하는 데 주로 사용된다. 이진 세마포어는 뮤텍스와 유사한 역할을 수행할 수 있다.

세마포어는 프로세스 동기화의 기본 도구로, 생산자-소비자 문제, 독자-저자 문제, 식사하는 철학자들 문제 등 고전적인 동기화 문제를 해결하는 데 널리 활용된다. 또한 운영체제 내부에서 커널의 중요한 자료 구조에 대한 접근을 제어하거나, 프로세스 간 통신을 조율하는 데에도 사용된다.

모니터는 프로세스 동기화를 위한 고수준의 추상화된 도구이다. 토니 호어가 제안한 개념으로, 공유 자원과 그 자원에 접근하기 위한 프로시저들을 하나의 모듈로 묶고, 내부적으로 상호 배제를 보장한다. 모니터 내부에는 조건 변수가 존재하여, 특정 조건이 만족되지 않을 때 스레드가 대기하게 하거나, 조건이 충족되었을 때 대기 중인 스레드를 깨우는 신호 메커니즘을 제공한다.

모니터의 핵심 특징은 상호 배제가 암묵적으로 보장된다는 점이다. 즉, 프로그래머가 명시적으로 락을 걸거나 해제할 필요 없이, 모니터 내부의 프로시저는 한 번에 하나의 스레드만 실행할 수 있다. 이는 세마포어나 뮤텍스를 직접 사용하는 방식보다 오류 가능성을 줄여준다. 또한 조건 변수를 통해 스레드 간의 협력적 동기화를 효율적으로 구현할 수 있다.

자바와 C#과 같은 현대적인 프로그래밍 언어는 언어 차원에서 모니터 개념을 지원한다. 예를 들어, 자바에서는 모든 객체가 내부적으로 모니터를 가지며, synchronized 키워드로 상호 배제를, wait(), notify(), notifyAll() 메서드로 조건 변수의 기능을 구현한다. 이는 운영체제 커널에 의존하는 세마포어보다 사용이 간편하고 이식성이 높다는 장점이 있다.

모니터는 교착 상태와 같은 동기화 문제를 완전히 해결하지는 못하지만, 락의 범위를 명확히 하고 동기화 로직을 캡슐화함으로써 병행 프로그래밍의 복잡성을 크게 낮춘다. 따라서 멀티스레드 환경에서 데이터 일관성을 유지하는 안전한 동시성 제어를 구현하는 데 널리 사용되는 메커니즘이다.

메시지 전달은 프로세스나 스레드 같은 실행 흐름들이 직접 공유 메모리를 사용하지 않고, 메시지를 주고받으며 통신하고 동기화하는 방식을 말한다. 이 방식은 공유 자원에 대한 직접적인 접근을 차단함으로써 경쟁 조건을 근본적으로 피할 수 있다는 장점이 있다. 대신 통신을 위해 운영체제 커널이나 미들웨어를 통해 메시지를 전달하는 오버헤드가 발생할 수 있다.

메시지 전달의 대표적인 형태로는 메일박스나 큐가 있다. 송신자는 메시지를 특정 큐에 넣고, 수신자는 그 큐에서 메시지를 가져간다. 이때 큐가 가득 차거나 비어 있는 상황을 처리하기 위해 블로킹 또는 논블로킹 방식의 시스템 호출이 사용된다. 이러한 메커니즘은 분산 시스템이나 마이크로서비스 아키텍처에서 프로세스 간 통신의 기본이 되며, Erlang이나 Go 같은 현대 프로그래밍 언어에서도 채널 등의 개념으로 널리 채택되고 있다.

원자적 연산은 운영체제나 프로그래밍 언어에서 제공하는, 중간에 다른 스레드나 프로세스의 간섭 없이 한 번에 실행이 완료되는 연산을 의미한다. 이는 동시성 제어를 위한 가장 기본적이고 저수준의 동기화 메커니즘 중 하나로, 하드웨어의 특별한 기계어 명령어를 기반으로 구현되는 경우가 많다. 원자적 연산의 핵심은 연산의 실행이 "나눌 수 없는" 단위로 이루어진다는 점에 있다.

주요 원자적 연산에는 CAS와 같은 비교 및 교환 연산, 페치 앤드 애드, 테스트 앤드 셋 등이 있다. 이러한 연산들은 공유 변수의 값을 읽고, 조건을 검사하고, 새로운 값을 쓰는 과정을 하나의 원자적 명령으로 수행하여, 경쟁 조건이 발생하지 않도록 보장한다. 예를 들어, 카운터 값을 증가시키는 간단한 연산도 읽기-수정-쓰기의 여러 단계로 이루어질 수 있기 때문에, 원자적 증가 연산을 사용하지 않으면 데이터 일관성이 깨질 수 있다.

원자적 연산은 락이나 세마포어와 같은 고수준 동기화 도구에 비해 매우 가볍고 효율적이라는 장점이 있다. 스핀락과 같은 간단한 락 구현의 내부에서도 원자적 연산이 핵심적으로 사용된다. 그러나 복잡한 동기화 조건을 구현하기에는 한계가 있어, 일반적으로 단일 메모리 위치에 대한 간단한 연산을 보호하는 데 주로 활용된다.

대부분의 현대 프로세서는 원자적 연산을 위한 하드웨어 지원을 제공하며, C++의 std::atomic, 자바의 java.util.concurrent.atomic 패키지, C#의 Interlocked 클래스 등 다양한 프로그래밍 언어와 라이브러리가 이를 추상화하여 제공한다. 이를 통해 개발자는 멀티스레드 프로그래밍 환경에서 안전하고 효율적인 저수준 동기화를 구현할 수 있다.

교착 상태는 둘 이상의 프로세스나 스레드가 서로가 가진 자원을 기다리며 무한정 대기하게 되어, 더 이상 진행할 수 없는 상태를 말한다. 이는 멀티스레드 프로그래밍이나 운영체제에서 동시성 제어를 위해 락과 같은 동기화 메커니즘을 사용할 때 발생할 수 있는 심각한 문제이다.

교착 상태가 발생하기 위해서는 네 가지 필요조건이 동시에 성립해야 한다. 첫째, 상호 배제 조건으로, 자원은 한 번에 한 프로세스만 사용할 수 있어야 한다. 둘째, 점유와 대기 조건으로, 프로세스가 어떤 자원을 점유한 채 다른 프로세스가 점유한 자원을 대기해야 한다. 셋째, 비선점 조건으로, 다른 프로세스가 점유한 자원을 강제로 빼앗을 수 없어야 한다. 넷째, 순환 대기 조건으로, 두 개 이상의 프로세스가 자원을 기다리는 순환 고리가 형성되어야 한다.

이 문제를 해결하는 방법은 크게 예방, 회피, 탐지 및 복구로 나눌 수 있다. 예방은 교착 상태의 네 가지 필요조건 중 하나를 제거하는 방식이다. 예를 들어, 모든 자원을 한꺼번에 요청하도록 하여 점유와 대기 조건을 없앨 수 있다. 회피는 은행원 알고리즘과 같이 시스템이 안전한 상태를 유지하도록 자원을 할당하는 방식이다. 탐지 및 복구는 주기적으로 시스템 상태를 검사하여 교착 상태를 발견한 후, 하나 이상의 프로세스를 강제 종료시키는 등의 방법으로 복구한다.

교착 상태는 병행 컴퓨팅 시스템의 신뢰성을 저해하는 주요 요소 중 하나로, 운영체제 설계나 분산 시스템에서도 중요한 고려 사항이다.

기아 상태는 동기화 메커니즘을 사용하는 멀티스레드 프로그래밍이나 운영체제에서, 하나 이상의 프로세스나 스레드가 필요한 공유 자원을 계속해서 할당받지 못하고 무한정 대기하게 되는 문제를 가리킨다. 이는 특정 실행 흐름이 자원에 대한 접근 권한을 얻지 못해 실제 작업을 진행할 수 없는 상태에 빠지는 것을 의미한다. 기아 상태는 시스템의 공정성을 해치고, 전체적인 처리량이나 응답 시간을 저하시킬 수 있는 중요한 동시성 제어 문제 중 하나이다.

기아 상태가 발생하는 주요 원인은 자원 할당 정책이나 스케줄링 알고리즘이 불공평할 때이다. 예를 들어, 우선순위 기반 스케줄링에서 높은 우선순위를 가진 프로세스가 계속해서 생성되면, 낮은 우선순위의 프로세스는 CPU 시간을 전혀 할당받지 못할 수 있다. 또한, 세마포어나 락과 같은 동기화 도구를 사용할 때 특정 스레드가 자원에 대한 경쟁에서 항상 뒤처져 임계 구역에 진입하지 못하는 경우에도 발생한다.

이 문제를 완화하거나 방지하기 위한 방법으로는 에이징 기법이 널리 사용된다. 에이징은 프로세스나 스레드가 대기한 시간에 비례하여 그 우선순위를 점진적으로 높여, 결국에는 자원을 할당받을 수 있도록 보장하는 방법이다. 또한, 자원을 요청하는 순서에 따라 할당하는 선입 선출 큐를 사용하거나, 모니터와 같이 프로그래밍 언어 수준에서 공정한 접근을 보장하는 구조를 활용하는 것도 기아 상태 예방에 도움이 된다. 기아 상태는 교착 상태와 구별되는데, 교착 상태는 여러 프로세스가 상대방이 가진 자원을 서로 기다리며 진행이 완전히 멈추는 반면, 기아 상태는 시스템의 다른 부분은 정상적으로 실행되는 가운데 특정 프로세스만 계속해서 진행되지 못한다는 차이가 있다.

경쟁 조건은 두 개 이상의 스레드나 프로세스가 공유된 자원에 동시에 접근하고, 그 접근 순서에 따라 프로그램의 실행 결과가 달라질 수 있는 상황을 가리킨다. 이는 멀티스레드 프로그래밍이나 병행 컴퓨팅 환경에서 흔히 발생하는 문제로, 동시성 제어가 제대로 이루어지지 않았을 때 나타난다. 경쟁 조건이 발생하면 프로그램의 출력이 비결정적이 되어, 같은 입력에 대해 매번 다른 결과를 내거나 심각한 데이터 오류를 초래할 수 있다.

가장 간단한 예로, 두 스레드가 공유 변수의 값을 동시에 읽고 증가시키는 경우를 들 수 있다. 두 스레드가 각각 변수의 현재 값을 읽은 후, 각자 1을 더해 다시 저장하면, 두 번의 증가 연산이 있었음에도 변수 값은 1만 증가하는 결과가 발생할 수 있다. 이는 읽기-수정-쓰기 작업이 원자적 연산이 아니기 때문이며, 이러한 비원자적 작업이 동기화 없이 수행될 때 경쟁 조건이 발생한다.

경쟁 조건을 방지하기 위해서는 상호 배제를 보장하는 동기화 메커니즘이 필수적이다. 락, 세마포어, 모니터 등의 도구를 사용해 특정 코드 영역(임계 구역)에 한 번에 하나의 스레드만 진입하도록 제어함으로써 공유 자원에 대한 접근을 직렬화한다. 이를 통해 데이터의 일관성을 유지하고 예측 가능한 실행 결과를 얻을 수 있다. 그러나 이러한 동기화 기법을 부적절하게 사용하면 교착 상태나 기아 상태와 같은 다른 동기화 문제를 유발할 수 있으므로 주의가 필요하다.