동기화 기법 3대장: Lock / Semaphore / Condition Variable

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Lock, Semaphore, Condition Variable은 모두 동기화(Synchronization) 기법으로, 여러 스레드·프로세스가 공유 자원을 엉키지 않게 사용하도록 만드는 기술이다.

1. 동기화란?

동기화(Synchronization)는 여러 스레드나 프로세스가 공유 자원을 사용할 때, 충돌이나 오류 없이 올바르게 작동하도록 순서를 맞춰주는 기술이다.

2. 왜 동기화가 필요할까?

여러 스레드·프로세스가 같은 메모리, 같은 파일, 같은 네트워크 리소스를 아무 조정 없이 동시에 건드리면 문제가 터진다. 값이 꼬이고(데이터 레이스), 프로그램이 이상하게 동작하거나(논리 오류), 심하면 죽을 수도 있다(crash).

동기화가 없으면 생기는 문제

2-1. 데이터 레이스 (Data Race)

두 스레드가 동시에 같은 데이터를 읽고 수정해 예상 못 한 값이 생기는 문제다.

// counter를 1000번 증가시키는 코드
counter++;
  • A 스레드가 counter를 읽고, B 스레드도 거의 동시에 읽으면
  • 둘 다 counter = 5를 보고, 둘 다 counter = 6을 저장한다
  • 두 번 증가해야 하는데 한 번만 증가한 꼴이 된다 (동시 수정이 제대로 합쳐지지 않음)

2-2. 교착상태 (Deadlock)

서로 Lock을 잡은 채 영원히 기다리는 상황이다.

  • A는 프린터 락을 잡고 스캐너 락을 기다림
  • B는 스캐너 락을 잡고 프린터 락을 기다림
  • 둘 다 서로를 기다리며 멈춰버린다

2-3. 기아 (Starvation)

어떤 스레드가 계속 자원을 못 받아 굶는 문제다. 높은 우선순위 스레드가 자원을 계속 차지하면, 낮은 우선순위 스레드는 기회조차 얻지 못한다.

3. 동기화의 목적

목표 설명
일관성 유지 데이터가 꼬이지 않게 한다
공정성 보장 모든 스레드가 자원을 쓸 기회를 갖는다
교착상태 방지 스레드들이 서로 영원히 기다리지 않게 한다
효율적인 협력 여러 스레드가 협력해 작업할 수 있게 한다

4. 동기화 기법들

기법 설명
Lock / Mutex 임계 구역 보호 (하나만 진입)
Semaphore 자원의 개수 관리 (여러 개 가능)
Condition Variable 조건이 충족될 때까지 대기·깨우기
Monitor Lock + Condition을 합친 고급 추상화
Barrier 여러 스레드가 한 지점에 다 모일 때까지 대기

이 글에서는 가장 기본이 되는 Lock, Semaphore, Condition Variable 세 가지를 다룬다.

5. Lock (Mutex 포함)

Critical Section(공유 자원에 접근하는 코드 블록)을 한 번에 하나의 스레드만 실행하도록 막는 기법으로, 보통 뮤텍스(Mutex)로 구현한다.

항목 내용
기본 기능 진입 시 lock, 작업 후 unlock
기본 상태 잠금(Locked) / 잠금 해제(Unlocked)
소유권 있음 (lock한 스레드만 unlock 가능)
주 용도 공유 데이터·임계 구역 보호 
pthread_mutex_t lock;
pthread_mutex_lock(&lock);
// critical section (공유 데이터 접근)
pthread_mutex_unlock(&lock);

6. Semaphore

자원의 개수를 세는 정수 변수를 관리해 자원 접근을 조율하는 도구다.

항목 내용
기본 기능 wait(P): 자원 요청 / signal(V): 자원 반환
기본 상태 0 이상 정수
소유권 없음 (누구나 wait·signal 호출 가능)
주 용도 여러 리소스의 접근 제한 (예: 프린터 5대)
  • Binary Semaphore: 0/1만 관리 (뮤텍스와 비슷)
  • Counting Semaphore: 2개 이상의 리소스 관리
sem_t sem;
sem_wait(&sem);   // 자원 요청
// critical section
sem_post(&sem);   // 자원 반환

7. Condition Variable (조건 변수)

스레드를 특정 조건이 될 때까지 기다리게 하는 도구다. 단독으로는 쓸 수 없고 Lock과 함께 써야 한다.

항목 내용
기본 기능 wait: 조건 대기 / signal: 조건 성취 시 알림
기본 상태 조건을 기다리는 대기열
소유권 Lock과 함께 사용 (Lock을 보유해야 wait 가능)
주 용도 상태 변화에 따라 스레드 깨우기
  • wait(): 조건이 만족될 때까지 슬립 (이때 Lock을 잠시 반납)
  • signal(): 대기 중인 스레드 하나 깨우기
  • broadcast(): 대기 중인 스레드 모두 깨우기
pthread_mutex_t lock;
pthread_cond_t cond;

pthread_mutex_lock(&lock);
while (조건이 false) {
    pthread_cond_wait(&cond, &lock);
}
// 조건 만족 시 수행
pthread_mutex_unlock(&lock);

wait()할 때 Lock을 잠시 반납하고, 조건이 충족되면 다시 Lock을 잡은 채 깨어난다. 조건 검사를 if가 아니라 while로 하는 이유는, 깨어났을 때 조건이 여전히 거짓일 수 있기 때문이다(spurious wakeup 방지).

8. 요약 비교

기법 주 용도 특징 주의할 점
Lock / Mutex 임계 구역 보호 하나만 진입 허용 교착 상태(deadlock) 조심
Semaphore 여러 자원 수 조절 카운트 기반 signal/wait 짝 관리
Condition Variable 조건 기다리기 Lock과 세트로 사용 signal/broadcast 구분해 사용

© 2022 JeongHwan Yun.