CS 공부 & 면접 맛보기 0x0C [운영체제] : Race Condition을 방지하는 방법

Race Condition을 제어하는 방법

질문

Race Condition을 방지하는 방법은 무엇인가요?

면접 답변

Race Condition(경쟁 상태)은 여러 스레드가 동시에 동일한 자원에 접근할 때 발생하는 문제입니다. 이를 방지하기 위해 다음과 같은 동기화 기법을 사용할 수 있습니다:

• 뮤텍스(Mutex): 한 번에 하나의 스레드만 자원에 접근할 수 있도록 잠금(lock)을 제공하는 동기화 도구입니다.
• 세마포어(Semaphore): 제한된 수의 스레드만 동시에 자원에 접근할 수 있도록 합니다.
• 모니터(Monitor): 객체 수준의 동기화 도구로, 특정 객체에 대한 스레드 접근을 제어합니다.
• 원자적 연산(Atomic Operations): 특정 연산을 한 번에 수행하여, 실행 중간에 다른 스레드의 개입을 방지하는 기법입니다.

이제 각 방법을 좀 더 자세히 설명드리겠습니다.

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1. 뮤텍스(Mutex)

원리

• 상호 배제(Mutual Exclusion)를 보장하는 도구입니다.
• 한 번에 하나의 스레드만 자원에 접근할 수 있습니다.

C++ 코드 예제

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
using namespace std;

mutex mtx;
int counter = 0;

void increment() {
    for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
        mtx.lock();
        counter++;
        mtx.unlock();
    }
}

int main() {
    thread t1(increment);
    thread t2(increment);

    t1.join();
    t2.join();

    cout << "Final Counter Value: " << counter << endl;
    return 0;
}

장단점

• 장점: 간단하고 사용하기 쉬움.
• 단점: 성능 저하 (락 경쟁 발생 가능).

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2. 세마포어(Semaphore)

원리

• 동시에 여러 스레드가 자원에 접근할 수 있도록 허용하는 동기화 도구입니다.
• 제한된 수의 스레드만 접근 가능합니다.

C++ 코드 예제

#include <iostream>
#include <thread>
#include <semaphore>
using namespace std;

int counter = 0;
counting_semaphore<1> sem(1);

void increment() {
    for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
        sem.acquire();
        counter++;
        sem.release();
    }
}

int main() {
    thread t1(increment);
    thread t2(increment);

    t1.join();
    t2.join();

    cout << "Final Counter Value: " << counter << endl;
    return 0;
}

장단점

• 장점: 동시에 여러 스레드를 허용할 수 있음.
• 단점: 구현이 복잡할 수 있음.

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3. 원자적 연산(Atomic Operations)

원리

• 원자적 연산은 특정 연산을 한 번에 수행하여, 실행 도중 다른 스레드가 해당 연산을 방해할 수 없게 합니다.
• 이를 위해 하드웨어 수준의 명령어를 활용하여 연산이 불가분하게 수행되도록 보장합니다.

C++ 코드 예제

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
using namespace std;

atomic<int> counter(0);

void increment() {
    for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
        counter.fetch_add(1);
    }
}

int main() {
    thread t1(increment);
    thread t2(increment);

    t1.join();
    t2.join();

    cout << "Final Counter Value: " << counter.load() << endl;
    return 0;
}

특징 및 장단점

• 특징: std::atomic은 내부적으로 메모리 배리어(Memory Barrier)를 사용하여 연산이 중단 없이 실행되도록 합니다.
• 장점: 간편하고 빠름.
• 단점: 복잡한 연산에는 부적합하며, 단순한 정수 증가/감소 연산에 주로 사용됨.

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4. 모니터(Monitor)

원리

• 객체 수준의 동기화 도구로, 자원에 대한 독점 접근을 제공합니다.
• Java에서 synchronized 키워드를 사용하여 구현됩니다.

장단점

• 장점: 객체 단위로 접근을 제어.
• 단점: 세밀한 제어가 어려울 수 있음.

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Race Condition 방지 기법 비교표

기법설명사용성성능

뮤텍스	하나의 스레드만 자원 접근 허용	쉬움	느림
세마포어	제한된 수의 스레드만 접근 허용	중간	중간
원자적 연산	특정 연산을 중단 없이 수행	쉬움	빠름
모니터	객체 단위의 동기화 제공	쉬움	느림

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결론

• Race Condition은 공유 자원에 여러 스레드가 동시 접근할 때 발생할 수 있습니다.
• 이를 방지하기 위해 뮤텍스, 세마포어, 원자적 연산, 모니터 등의 동기화 기법을 사용할 수 있습니다.
• 상황에 맞는 동기화 방식을 선택하는 것이 중요합니다.