동시성 마스터하기: 잠금 기반 동기화 심층 분석

분주한 전문 주방을 상상해 보세요. 여러 명의 요리사가 동시에 일하면서 모두 공유 식료품 저장실에 접근해야 합니다. 만약 두 명의 요리사가 희귀 향신료 마지막 병을 동시에 잡으려고 한다면 누가 가져갈까요? 한 요리사가 레시피 카드를 업데이트하는 동안 다른 요리사가 읽고 있어 반쯤 쓰여진, 말도 안 되는 지침이 나오면 어떻게 될까요? 이 주방의 혼란은 현대 소프트웨어 개발의 핵심 과제인 동시성에 대한 완벽한 비유입니다.

오늘날 멀티 코어 프로세서, 분산 시스템 및 응답성이 뛰어난 애플리케이션의 세계에서 동시성(프로그램의 여러 부분이 최종 결과에 영향을 주지 않고 순서 없이 또는 부분적으로 실행될 수 있는 능력)은 사치가 아니라 필수입니다. 빠른 웹 서버, 부드러운 사용자 인터페이스 및 강력한 데이터 처리 파이프라인의 엔진입니다. 그러나 이러한 능력에는 상당한 복잡성이 따릅니다. 여러 스레드 또는 프로세스가 공유 리소스에 동시에 접근하면 서로 간섭하여 데이터 손상, 예측 불가능한 동작 및 중요한 시스템 오류를 초래할 수 있습니다. 이럴 때 동시성 제어가 필요합니다.

이 종합 가이드에서는 이러한 제어된 혼란을 관리하기 위한 가장 기본적인 기술이자 널리 사용되는 기술인 잠금 기반 동기화를 살펴봅니다. 잠금이 무엇인지 알아보고, 다양한 형태를 탐색하고, 위험한 함정을 헤쳐나가며, 강력하고 안전하며 효율적인 동시 코드를 작성하기 위한 글로벌 모범 사례를 확립할 것입니다.

동시성 제어란 무엇인가?

핵심적으로 동시성 제어는 공유 데이터에 대한 동시 작업을 관리하는 데 전념하는 컴퓨터 과학 분야입니다. 주요 목표는 동시 작업이 서로 간섭하지 않고 올바르게 실행되도록 하여 데이터 무결성과 일관성을 유지하는 것입니다. 요리사가 엎지르거나 섞이거나 재료를 낭비하지 않도록 식료품 저장실에 접근하는 방법에 대한 규칙을 설정하는 주방 관리자라고 생각하십시오.

데이터베이스 세계에서 동시성 제어는 ACID 속성(원자성, 일관성, 격리성, 지속성), 특히 격리성을 유지하는 데 필수적입니다. 격리성은 트랜잭션의 동시 실행이 트랜잭션이 직렬로, 즉 하나씩 실행된 경우 얻을 수 있는 시스템 상태를 초래하도록 보장합니다.

동시성 제어를 구현하는 데는 두 가지 주요 철학이 있습니다.

• 낙관적 동시성 제어: 이 접근 방식은 충돌이 드물다고 가정합니다. 사전 점검 없이 작업을 진행할 수 있습니다. 변경 사항을 커밋하기 전에 시스템은 다른 작업이 그동안 데이터를 수정했는지 확인합니다. 충돌이 감지되면 작업은 일반적으로 롤백되고 재시도됩니다. "허락을 구하기보다는 용서를 구하는" 전략입니다.
• 비관적 동시성 제어: 이 접근 방식은 충돌이 발생할 가능성이 높다고 가정합니다. 다른 작업이 간섭하지 못하도록 작업을 수행하기 전에 리소스에 대한 잠금을 획득하도록 강제합니다. "용서를 구하기보다는 허락을 구하는" 전략입니다.

이 기사에서는 잠금 기반 동기화의 기초인 비관적 접근 방식에만 집중합니다.

핵심 문제: 경쟁 조건

해결책을 제대로 이해하기 전에 문제를 완전히 이해해야 합니다. 동시 프로그래밍에서 가장 흔하고 끔찍한 버그는 경쟁 조건입니다. 경쟁 조건은 시스템의 동작이 운영 체제에 의한 스레드 스케줄링과 같이 제어할 수 없는 이벤트의 예측 불가능한 순서나 타이밍에 따라 달라질 때 발생합니다.

고전적인 예인 공유 은행 계좌를 생각해 봅시다. 계좌에 $1000의 잔액이 있고 두 개의 동시 스레드가 각각 $100를 입금하려고 한다고 가정합니다.

다음은 입금에 대한 단순화된 작업 순서입니다.

1. 메모리에서 현재 잔액을 읽습니다.
2. 입금액을 이 값에 더합니다.
3. 새 값을 메모리에 다시 씁니다.

올바른 직렬 실행은 최종 잔액이 $1200가 됩니다. 하지만 동시 시나리오에서는 어떻게 될까요?

작업의 잠재적인 인터리빙:

• 스레드 A: 잔액($1000)을 읽습니다.
• 컨텍스트 전환: 운영 체제가 스레드 A를 일시 중지하고 스레드 B를 실행합니다.
• 스레드 B: 잔액(여전히 $1000)을 읽습니다.
• 스레드 B: 새 잔액($1000 + $100 = $1100)을 계산합니다.
• 스레드 B: 새 잔액($1100)을 메모리에 다시 씁니다.
• 컨텍스트 전환: 운영 체제가 스레드 A를 다시 시작합니다.
• 스레드 A: 이전에 읽은 값을 기준으로 새 잔액($1000 + $100 = $1100)을 계산합니다.
• 스레드 A: 새 잔액($1100)을 메모리에 다시 씁니다.

최종 잔액은 예상되는 $1200가 아닌 $1100입니다. 경쟁 조건으로 인해 $100 예금이 사라졌습니다. 공유 리소스(계좌 잔액)에 접근하는 코드 블록을 임계 영역이라고 합니다. 경쟁 조건을 방지하려면 한 번에 하나의 스레드만 임계 영역 내에서 실행할 수 있도록 해야 합니다. 이 원칙을 상호 배제라고 합니다.

잠금 기반 동기화 소개

잠금 기반 동기화는 상호 배제를 시행하기 위한 주요 메커니즘입니다. 잠금(뮤텍스라고도 함)은 임계 영역의 보호 역할을 하는 동기화 기본 요소입니다.

단일 점유 화장실에 대한 열쇠의 비유가 매우 적합합니다. 화장실은 임계 영역이고 열쇠는 잠금입니다. 많은 사람(스레드)이 외부에서 기다리고 있을 수 있지만 열쇠를 가진 사람만 들어갈 수 있습니다. 완료되면 나가서 열쇠를 반환하여 줄을 서 있는 다음 사람이 열쇠를 가져가 들어갈 수 있도록 합니다.

잠금은 두 가지 기본 작업을 지원합니다.

• 획득(또는 잠금): 스레드는 임계 영역에 들어가기 전에 이 작업을 호출합니다. 잠금이 사용 가능한 경우 스레드는 잠금을 획득하고 진행합니다. 잠금이 이미 다른 스레드에 의해 유지되고 있는 경우 호출 스레드는 잠금이 해제될 때까지 차단(또는 "절전")됩니다.
• 해제(또는 잠금 해제): 스레드는 임계 영역 실행을 마친 후 이 작업을 호출합니다. 이렇게 하면 다른 대기 스레드가 획득할 수 있도록 잠금이 사용 가능해집니다.

잠금으로 은행 계좌 로직을 래핑하면 정확성을 보장할 수 있습니다.

acquire_lock(account_lock); // --- 임계 영역 시작 --- balance = read_balance(); new_balance = balance + amount; write_balance(new_balance); // --- 임계 영역 종료 --- release_lock(account_lock);

이제 스레드 A가 먼저 잠금을 획득하면 스레드 B는 스레드 A가 세 단계를 모두 완료하고 잠금을 해제할 때까지 강제로 기다려야 합니다. 작업이 더 이상 인터리빙되지 않고 경쟁 조건이 제거됩니다.

잠금 유형: 프로그래머의 도구 키트

잠금의 기본 개념은 간단하지만 다양한 시나리오에는 다양한 유형의 잠금 메커니즘이 필요합니다. 사용 가능한 잠금 도구 키트를 이해하는 것은 효율적이고 올바른 동시 시스템을 구축하는 데 중요합니다.

뮤텍스(상호 배제) 잠금

뮤텍스는 가장 간단하고 일반적인 유형의 잠금입니다. 잠김 또는 잠금 해제의 두 가지 상태만 있는 이진 잠금입니다. 엄격한 상호 배제를 시행하도록 설계되어 한 번에 하나의 스레드만 잠금을 소유할 수 있습니다.

• 소유권: 대부분의 뮤텍스 구현의 핵심 특징은 소유권입니다. 뮤텍스를 획득한 스레드만 뮤텍스를 해제할 수 있습니다. 이렇게 하면 한 스레드가 다른 스레드에서 사용 중인 임계 영역의 잠금을 실수로(또는 악의적으로) 해제하는 것을 방지할 수 있습니다.
• 사용 사례: 뮤텍스는 공유 변수 업데이트 또는 데이터 구조 수정과 같이 짧고 간단한 임계 영역을 보호하기 위한 기본 선택입니다.

세마포어

세마포어는 네덜란드 컴퓨터 과학자 Edsger W. Dijkstra가 발명한 보다 일반화된 동기화 기본 요소입니다. 뮤텍스와 달리 세마포어는 음수가 아닌 정수 값의 카운터를 유지 관리합니다.

두 가지 원자적 연산을 지원합니다.

• wait() (또는 P 연산): 세마포어의 카운터를 감소시킵니다. 카운터가 음수가 되면 카운터가 0보다 크거나 같을 때까지 스레드가 차단됩니다.
• signal() (또는 V 연산): 세마포어의 카운터를 증가시킵니다. 세마포어에서 차단된 스레드가 있는 경우 그 중 하나가 차단 해제됩니다.

세마포어에는 두 가지 주요 유형이 있습니다.

• 이진 세마포어: 카운터는 1로 초기화됩니다. 0 또는 1일 수만 있으므로 기능적으로 뮤텍스와 동일합니다.
• 계산 세마포어: 카운터는 정수 N > 1로 초기화할 수 있습니다. 이를 통해 최대 N개의 스레드가 동시에 리소스에 접근할 수 있습니다. 유한한 리소스 풀에 대한 접근을 제어하는 데 사용됩니다.

예: 최대 10개의 동시 데이터베이스 연결을 처리할 수 있는 연결 풀이 있는 웹 애플리케이션을 상상해 보십시오. 10으로 초기화된 계산 세마포어는 이를 완벽하게 관리할 수 있습니다. 각 스레드는 연결을 가져오기 전에 세마포어에서 `wait()`를 수행해야 합니다. 11번째 스레드는 처음 10개의 스레드 중 하나가 데이터베이스 작업을 완료하고 세마포어에서 `signal()`을 수행하여 연결을 풀로 반환할 때까지 차단됩니다.

읽기-쓰기 잠금(공유/배타적 잠금)

동시 시스템의 일반적인 패턴은 데이터가 쓰여지는 것보다 훨씬 더 자주 읽혀진다는 것입니다. 이 시나리오에서 간단한 뮤텍스를 사용하는 것은 비효율적입니다. 읽기가 안전하고 수정하지 않는 작업임에도 불구하고 여러 스레드가 동시에 데이터를 읽는 것을 방지하기 때문입니다.

읽기-쓰기 잠금은 두 가지 잠금 모드를 제공하여 이 문제를 해결합니다.

• 공유(읽기) 잠금: 쓰기 잠금을 보유한 스레드가 없는 한 여러 스레드가 동시에 읽기 잠금을 획득할 수 있습니다. 이를 통해 높은 동시성 읽기가 가능합니다.
• 배타적(쓰기) 잠금: 한 번에 하나의 스레드만 쓰기 잠금을 획득할 수 있습니다. 스레드가 쓰기 잠금을 보유하면 다른 모든 스레드(읽기 및 쓰기 모두)가 차단됩니다.

비유는 공유 라이브러리의 문서입니다. 많은 사람이 동시에 문서 사본을 읽을 수 있습니다(공유 읽기 잠금). 그러나 누군가 문서를 편집하려면 배타적으로 확인해야 하며 완료될 때까지 다른 사람은 읽거나 편집할 수 없습니다(배타적 쓰기 잠금).

재귀 잠금(재진입 잠금)

이미 뮤텍스를 보유하고 있는 스레드가 다시 획득하려고 하면 어떻게 될까요? 표준 뮤텍스를 사용하면 즉시 교착 상태가 발생합니다. 스레드는 잠금을 해제할 때까지 영원히 기다립니다. 재귀 잠금(또는 재진입 잠금)은 이 문제를 해결하도록 설계되었습니다.

재귀 잠금을 사용하면 동일한 스레드가 동일한 잠금을 여러 번 획득할 수 있습니다. 내부 소유권 카운터를 유지 관리합니다. 잠금을 소유한 스레드가 `acquire()`를 호출한 횟수와 동일한 횟수로 `release()`를 호출한 경우에만 잠금이 완전히 해제됩니다. 이는 실행 중에 공유 리소스를 보호해야 하는 재귀 함수에서 특히 유용합니다.

잠금의 위험: 일반적인 함정

잠금은 강력하지만 양날의 검입니다. 잠금을 부적절하게 사용하면 간단한 경쟁 조건보다 진단하고 수정하기 훨씬 더 어려운 버그가 발생할 수 있습니다. 여기에는 교착 상태, 활성 잠금 및 성능 병목 현상이 포함됩니다.

교착 상태

교착 상태는 동시 프로그래밍에서 가장 두려워하는 시나리오입니다. 두 개 이상의 스레드가 무기한으로 차단되어 동일한 집합의 다른 스레드가 보유한 리소스를 기다리고 있을 때 발생합니다.

두 개의 스레드(스레드 1, 스레드 2)와 두 개의 잠금(잠금 A, 잠금 B)이 있는 간단한 시나리오를 고려해 보겠습니다.

1. 스레드 1이 잠금 A를 획득합니다.
2. 스레드 2가 잠금 B를 획득합니다.
3. 이제 스레드 1이 잠금 B를 획득하려고 하지만 스레드 2가 보유하고 있으므로 스레드 1이 차단됩니다.
4. 이제 스레드 2가 잠금 A를 획득하려고 하지만 스레드 1이 보유하고 있으므로 스레드 2가 차단됩니다.

이제 두 스레드가 모두 영구 대기 상태에 갇혔습니다. 애플리케이션이 중단됩니다. 이 상황은 네 가지 필수 조건(Coffman 조건)의 존재로 인해 발생합니다.

1. 상호 배제: 리소스(잠금)를 공유할 수 없습니다.
2. 보류 및 대기: 스레드는 다른 리소스를 기다리는 동안 하나 이상의 리소스를 보유합니다.
3. 선점 불가: 리소스를 보유한 스레드에서 강제로 가져올 수 없습니다.
4. 순환 대기: 두 개 이상의 스레드 체인이 존재하며 각 스레드는 체인의 다음 스레드가 보유한 리소스를 기다립니다.

교착 상태를 방지하려면 이러한 조건 중 하나 이상을 깨야 합니다. 가장 일반적인 전략은 잠금 획득에 대한 엄격한 글로벌 순서를 시행하여 순환 대기 조건을 깨는 것입니다.

활성 잠금

활성 잠금은 교착 상태의 미묘한 사촌입니다. 활성 잠금에서는 스레드가 차단되지 않습니다. 활발하게 실행되지만 아무런 진전도 이루지 못합니다. 유용한 작업을 수행하지 않고 서로의 상태 변화에 응답하는 루프에 갇혀 있습니다.

고전적인 비유는 좁은 복도에서 서로 지나가려고 하는 두 사람입니다. 그들은 모두 예의 바르게 행동하고 왼쪽으로 발을 내딛으려고 하지만 결국 서로를 막습니다. 그런 다음 둘 다 오른쪽으로 발을 내딛어 다시 서로를 막습니다. 그들은 활발하게 움직이지만 복도를 따라 진행하지 못합니다. 소프트웨어에서는 스레드가 반복적으로 물러서서 재시도하지만 다시 충돌하는 잘못 설계된 교착 상태 복구 메커니즘에서 발생할 수 있습니다.

기아

기아는 리소스가 사용 가능하게 되더라도 스레드가 필요한 리소스에 대한 접근이 영구적으로 거부될 때 발생합니다. 이는 "공정하지 않은" 스케줄링 알고리즘이 있는 시스템에서 발생할 수 있습니다. 예를 들어 잠금 메커니즘이 항상 우선순위가 높은 스레드에 접근 권한을 부여하는 경우 우선순위가 높은 경쟁자가 끊임없이 스트리밍되는 경우 우선순위가 낮은 스레드는 실행할 기회를 얻지 못할 수 있습니다.

성능 오버헤드

잠금은 무료가 아닙니다. 다음과 같은 여러 가지 방법으로 성능 오버헤드를 발생시킵니다.

• 획득/해제 비용: 잠금을 획득하고 해제하는 작업에는 일반 명령어보다 계산 비용이 더 많이 드는 원자적 연산과 메모리 펜스가 포함됩니다.
• 경쟁: 여러 스레드가 동일한 잠금을 놓고 자주 경쟁하는 경우 시스템은 생산적인 작업을 수행하는 대신 컨텍스트 전환 및 스레드 스케줄링에 상당한 시간을 소비합니다. 높은 경쟁은 실행을 효과적으로 직렬화하여 병렬 처리의 목적을 무너뜨립니다.

잠금 기반 동기화를 위한 모범 사례

잠금을 사용하여 올바르고 효율적인 동시 코드를 작성하려면 규율과 모범 사례 집합을 준수해야 합니다. 이러한 원칙은 프로그래밍 언어나 플랫폼에 관계없이 보편적으로 적용 가능합니다.

1. 임계 영역을 작게 유지

잠금은 가능한 한 짧은 시간 동안 유지되어야 합니다. 임계 영역에는 동시 접근으로부터 보호해야 하는 코드만 포함되어야 합니다. 공유 상태와 관련이 없는 비임계 연산(I/O, 공유 상태와 관련되지 않은 복잡한 계산)은 잠긴 영역 외부에서 수행해야 합니다. 잠금을 오래 유지할수록 경쟁 가능성이 커지고 다른 스레드를 더 많이 차단하게 됩니다.

2. 올바른 잠금 세분성 선택

잠금 세분성은 단일 잠금으로 보호되는 데이터의 양을 나타냅니다.

• 粗粒度 잠금: 큰 데이터 구조 또는 전체 하위 시스템을 보호하기 위해 단일 잠금을 사용합니다. 이는 구현하고 추론하기가 더 간단하지만 데이터의 다른 부분에 대한 관련 없는 작업이 모두 동일한 잠금으로 직렬화되므로 높은 경쟁으로 이어질 수 있습니다.
• 細粒度 잠금: 데이터 구조의 다른 독립적인 부분을 보호하기 위해 여러 잠금을 사용합니다. 예를 들어 전체 해시 테이블에 대한 잠금 하나 대신 각 버킷에 대한 별도의 잠금을 사용할 수 있습니다. 이는 더 복잡하지만 더 많은 진정한 병렬 처리를 허용하여 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.

그들 사이의 선택은 단순성과 성능 간의 절충입니다. 더 거친 잠금으로 시작하고 성능 프로파일링에서 잠금 경쟁이 병목 현상임을 보여주는 경우에만 더 미세한 잠금으로 이동하십시오.

3. 항상 잠금 해제

잠금을 해제하지 못하면 시스템이 중단될 가능성이 있는 치명적인 오류입니다. 이 오류의 일반적인 원인은 임계 영역 내에서 예외 또는 조기 반환이 발생하는 경우입니다. 이를 방지하려면 Java 또는 C#의 try...finally 블록 또는 C++의 범위 지정 잠금과 함께 RAII(리소스 획득이 초기화임) 패턴과 같이 정리를 보장하는 언어 구문을 항상 사용하십시오.

예(try-finally를 사용하는 의사 코드):

my_lock.acquire(); try { // 예외를 throw할 수 있는 임계 영역 코드 } finally { my_lock.release(); // 이것은 실행이 보장됩니다 }

4. 엄격한 잠금 순서 따르기

교착 상태를 방지하기 위한 가장 효과적인 전략은 순환 대기 조건을 깨는 것입니다. 여러 잠금을 획득하기 위한 엄격하고 전역적이며 임의적인 순서를 설정합니다. 스레드가 잠금 A와 잠금 B를 모두 유지해야 하는 경우 잠금 B를 획득하기 전에 항상 잠금 A를 획득해야 합니다. 이 간단한 규칙은 순환 대기를 불가능하게 만듭니다.

5. 잠금에 대한 대안 고려

기본적이지만 잠금은 동시성 제어를 위한 유일한 솔루션이 아닙니다. 고성능 시스템의 경우 고급 기술을 탐색할 가치가 있습니다.

• 잠금 없는 데이터 구조: 이들은 잠금을 전혀 사용하지 않고도 동시 접근을 허용하는 저수준 원자적 하드웨어 명령어(예: Compare-And-Swap)를 사용하여 설계된 정교한 데이터 구조입니다. 올바르게 구현하기는 매우 어렵지만 높은 경쟁에서 더 나은 성능을 제공할 수 있습니다.
• 불변 데이터: 데이터가 생성된 후 수정되지 않으면 동기화할 필요 없이 스레드 간에 자유롭게 공유할 수 있습니다. 이는 함수형 프로그래밍의 핵심 원칙이며 동시 설계를 단순화하는 점점 더 인기 있는 방법입니다.
• 소프트웨어 트랜잭션 메모리(STM): 개발자가 데이터베이스에서와 마찬가지로 메모리에서 원자적 트랜잭션을 정의할 수 있는 더 높은 수준의 추상화입니다. STM 시스템은 백그라운드에서 복잡한 동기화 세부 사항을 처리합니다.

결론

잠금 기반 동기화는 동시 프로그래밍의 초석입니다. 공유 리소스를 보호하고 데이터 손상을 방지하는 강력하고 직접적인 방법을 제공합니다. 단순한 뮤텍스에서 보다 미묘한 읽기-쓰기 잠금에 이르기까지 이러한 기본 요소는 멀티 스레드 애플리케이션을 구축하는 모든 개발자에게 필수적인 도구입니다.

그러나 이러한 힘에는 책임이 따릅니다. 잠재적인 함정(교착 상태, 활성 잠금 및 성능 저하)에 대한 깊은 이해는 선택 사항이 아닙니다. 임계 영역 크기 최소화, 적절한 잠금 세분성 선택, 엄격한 잠금 순서 시행과 같은 모범 사례를 준수함으로써 위험을 피하면서 동시성의 힘을 활용할 수 있습니다.

동시성 마스터하기는 여정입니다. 신중한 설계, 엄격한 테스트, 스레드가 병렬로 실행될 때 발생할 수 있는 복잡한 상호 작용을 항상 인식하는 사고방식이 필요합니다. 잠금 기술을 마스터하면 빠르고 응답성이 뛰어날 뿐만 아니라 강력하고 안정적이며 정확한 소프트웨어를 구축하는 데 중요한 단계를 밟게 됩니다.