[OS] 🔒 동기화와 락 매커니즘에 대해 싹 정리해보자!

멀티스레딩 프로그래밍을 하다 보면 데이터의 결과가 예상과 다른 상황을 마주할 때가 있다.

이건 동시성 문제 때문인데, 여러 스레드가 동시에 실앻되면서 서로 간섭을 하게 되어 결과가 꼬이는 것이다.

이번 글에서는 동시성 문제를 해결하는 동기화와 락의 개념을 정리해보려고 한다.

☁️ 기본 개념

❇️ 동시성 문제(Concurrency Problem)

동시성 문제란 여러 프로세스나 스레드가 동시에 실행될 때 발생할 수 있는 문제를 의미한다. 이는 주로 데이터의 무결성이나 일관성 문제, 데드락(Deadlock), 경쟁 조건(Race Condition) 등의 형태로 나타난다.

참고로 데드락은 다음에 더 자세히 다루기 위해 이번 글에서는 추가적으로 언급하지 않을 예정이다.

❇️ Race condition(경쟁 조건)

여러 프로세스나 스레드가 동시에 같은 데이터를 접근하거나 변경할 때, 어떤 순서로 실행되는지에 따라 예상하지 못한 결과가 발생할 수도 있는 상황을 경쟁 조건(Race Condition)이라 한다. 이는 주로 데이터의 무결성을 깨뜨리는 문제로 나타나며, 동기화를 통해 해결할 수 있다.

❇️ Synchronization(동기화)

동기화는 여러 프로세스나 스레드가 동시에 어떤 공유 데이터를 사용하더라도, 데이터의 일관성을 유지하도록 보장하는 방법이다. 

❇️ Critical section(임계 영역)

임계 영역은 여러 프로세스나 스레드가 동시에 접근하면 문제가 발생할 수 있는 구간을 말한다. 따라서 이 영역에는 한 번에 하나의 프로세스 또는 스레드만 진입할 수 있어야 한다.

❇️ Mutual exclusion(상호 배제)

상호 배제란 임계 영역에 한 번에 하나의 스레드만 접근하도록 보장하는 원칙이다.

❇️ Atomic(원자성)

원자성이란 여러 연산이 하나의 묶음으로 처리되어 중간에 중단되지 않는 것을 의미한다.

atomic한 명령어를 사용하면 동시에 들어온 명령어들을 동기화시켜 실행시키지, 동시에 실행되지 않도록 한다.

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🌥️ Lock의 기본 개념

• Lock은 동시성 문제를 해결하는 핵심적인 방법이다!
• 상호 배제를 구현해서 특정 스레드가 자원을 쓰는 동안 다른 스레드를 막아주는 메커니즘이다.
• 락(Lock)은 임계 영역을 보호하기 위해 사용된다.
• 만약 락이 없다면, 경쟁 조건이 발생할 수 있기 때문에, 락을 사용해서 동기화를 보장해야 한다.
• 따라서, 락은 멀티스레드 환경 또는 분산 시스템에서 여러 프로세스나 스레드가 동시에 리소스를 변경할 때, 데이터 일관성과 무결성을 보장하기 위해 필수적이다.

Lock의 간단한 동작 원리

1. 스레드가 Lock을 걸고 임계 영역에 들어감.
2. 다른 스레드는 Lock이 풀릴 때까지 기다림.
3. 작업 끝나면 Lock을 풀고 다음 스레드가 들어감.

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⛅️ Lock의 종류와 특성

Mutex Lock (상호 배제 잠금)

• 뮤텍스는 Mutual Exclusion의 Mut와 ex를 합친 단어이다!
• 뮤텍스 락은 하나의 주체만 락을 획득할 수 있도록 한다.
• 다른 스레드가 락을 점유중이어서 현재 스레드가 락을 획득할 수 없다면, 이 스레드는 대기 상태(sleep)로 들어가고, 락이 사용 가능해지면 운영체제가 해당 스레드를 깨운다.
• 이 방식은 대기 중 CPU 자원을 낭비하지 않는다.

동작 방식 시퀀스 다이어그램

Spinlock (스핀락)

• 스핀락은 락이 획득 가능할 때까지 반복적으로 계속 확인(Spin)하며 대기하는 방식이다.
• 이 방식은 대기 중에도 CPU 자원을 지속적으로 사용하기 때문에 CPU 낭비가 발생할 수 있다.

while (lock is not available) { // 락 확인
    // 계속 시도하며 대기 (spin)
}
lock.acquire();
// critical section
lock.release();                 // 락 해제

🤨 스핀락보다 뮤텍스 락이 항상 더 좋을까?

그렇지 않다!

만약 멀티코어 환경이고 임계 영역의 실행 시간이 컨텍스트 스위칭 시간보다 더 짧다면, 뮤텍스보다 스핀락이 유리할 수 있다.

 

왜냐하면 뮤텍스는 대기 상태로 진입하거나 빠져나올 때 컨텍스트 스위칭(context switching)이 필요한데, 스핀락은 계속 깨어 있는 상태로 락 해제 여부를 확인하기 때문에 컨텍스트 스위칭이 필요가 없다.

그러므로 만약 임계영역 실행 시간이 엄청 짧으면, 뮤텍스 방식 시스템에서 컨텍스트 스위칭 하는 동안에 스핀락 시스템에서는 이미 락을 획득할 수 있게 될 것이다.

 

참고로 싱글코어 환경에서는 스핀락의 이점이 없다.

어차피 하나의 코어에서 작업을 진행하므로 컨텍스트 스위칭이 반드시 발생하기 때문이다.

싱글코어 환경과 멀티코어 환경에서의 스핀락 동작을 비교해보면 다음과 같다.

싱글코어에서 스핀락

• 상황: CPU가 하나뿐이라 한 번에 한 스레드만 실행.
• 스핀락 특징: 스레드2가 락을 기다리며 CPU를 잡고 "락 풀렸나?" 계속 확인.
• 문제: 스레드2가 CPU를 쓰는 동안 스레드1이 락을 풀 기회를 못 얻음. OS가 강제로 CPU를 나눠줘도 낭비가 큼.
• 결과: 느리고 비효율적. 뮤텍스가 나음(스레드2가 잠들고 CPU를 양보).

멀티코어에서 스핀락

• 상황: CPU가 여러 개라 스레드1과 스레드2가 동시에 실행 가능.
• 스핀락 특징: 스레드2가 한 코어에서 "락 풀렸나?" 확인, 스레드1은 다른 코어에서 실행.
• 장점: 스레드1이 락을 풀면 스레드2가 바로 진입. CPU 낭비 없이 빠름.
• 결과: 임계 영역이 짧으면 효율적. 뮤텍스보다 유리할 수 있음.

Semaphore(세마포어)

• 세마포어는 여러 스레드가 임계 영역에 들어갈 수 있도록, 동시에 접근 가능한 스레드의 개수를 지정할 수 있다.
• 공유 자원의 상태를 나타내는 카운터로 접근 수를 조절한다.
• 이진 세마포어를 활용해 상호 배제를 구현할 수 있다.

2개의 스레드가 동시에 접근 가능한 경우의 시퀀스 다이어그램

🤨 그럼 뮤텍스와 이진 세마포어는 똑같은 것인가??

그렇지 않다!

• 뮤텍스: 락을 건 스레드만 해제할 수 있고, Priority Inheritance를 지원한다.
• 세마포어: 누구나 락을 해제할 수 있고, 순서 조절에 유용하지만 Priority Inheritance 없음.

Priority Inheritance란?

스레드가 CPU 할당을 너무 오래 기다리는 문제를 방지하기 위해, 낮은 우선순위 스레드가 락을 잡고 있으면 잠깐 우선순위를 올려줘서 빨리 끝내게 하는 것.

☀️ 결론

동시성 문제는 여러 스레드가 공유 자원을 동시에 접근하며 데이터 불일치를 초래하는 상황이다. 이를 해결하려면 적절한 Lock을 활용해야 한다.

• Mutex: 락 획득 실패 시 스레드가 sleep 상태로 전환되어 CPU를 절약. 싱글코어 환경이나 긴 임계 영역에 적합.
• Spinlock: 락을 busy waiting으로 확인하며 빠른 전환 가능. 멀티코어 환경에서 짧은 임계 영역에 유리.
• Semaphore: 다중 스레드 접근이 가능해야 하거나, 작업 간의 실행 순서를 제어해야 하는 경우. 복잡한 동기화 요구사항에 효과적임.