동기화 기법 3대장 : Lock/Semaphore/Condition Variable
Lock, Semaphore, Condition Variable 전부 동기화(Synchronization) 기법으로, 여러 스레드/프로세스가 공유 자원을 엉키지 않게 사용하게 만드는 기술이다.
동기화(Synchronization)란?
동기화란, 여러 개의 스레드나 프로세스가 “공유 자원”을 사용할 때, 충돌이나 오류 없이 올바르게 작동하도록 순서를 맞춰주는 기술이다.
왜 동기화가 필요할까?
여러 스레드/프로세스가 동시에 :
같은 메모리,
같은 파일,
같은 네트워크 리소스를
아무 조정 없이 건드리면,
문제가 터진다!
값이 꼬인다(데이터 레이스) 프로그램이 이상하게 동작한다(논리 오류) 심지어 프로그램이 죽을 수도 있다(crash)
동기화가 없으면 생기는 문제
1. 데이터 레이스(Data Race)
두 스레드가 동시에 같은 데이터를 읽고 수정해서 예상 못 한 값이 생기는 문제.
예시 :
// counter를 1000번 증가시키는 코드
counter++;
A 스레드가
counter를 읽고,B 스레드가 거의 동시에
counter를 읽으면,둘 다
counter = 5를 봤고;둘 다
counter = 6을 저장해버린다.→ 사실은 두 번 증가해야 하는데, 한 번만 증가한 꼴이 됨!
(동시에 수정하면 제대로 합쳐지지 않아)
2. 교착상태(Deadlock)
서로 Lock을 잡고 영원히 기다리는 상황.
예시 :
A는 프린터 락을 잡고 스캐너 락을 기다림.
B는 스캐너 락을 잡고 프린터 락을 기다림.
둘 다 서로 기다리다 아무것도 못하고 멈춤.
3. 기아(Starvation)
어떤 스레드가 계속 자원을 못 받아서 굶는 문제.
높은 우선순위 스레드가 계속 차지하면
낮은 우선순위 스레드는 기회 자체를 못 얻는다.
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 협력해서 작업할 수 있게 한다. |
동기화하는 방법들 (기술)
| 기술 | 설명 |
|---|---|
| Lock/Mutex | 임계 구역 보호 (하나만 들어가게) |
| Semaphore | 자원의 개수 관리 (여러 개도 가능) |
| Condition Variable | 어떤 조건이 충족될 때까지 대기/깨우기 |
| Monitor | Lock + Condition을 합친 고급 동기화 추상화 |
| Barrier | 여러 스레드가 한 지점에서 다 모일 때까지 기다리기 |
이 글에서는 Lock, Semaphore, Condition Variable에 대해서 다룰거야
Lock(뮤텍스 포함)
개념
Critical Section(공유 자원을 접근하는 코드 블록)을 한 번에 하나만 실행하도록 막는 기법.
보통 뮤텍스(Mutex)를 통해 구현.
특징
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 기본 기능 | 진입 시 lock, 작업 후 unlock |
| 기본 상태 | 잠금(Locked) / 잠금 해제(Unlocked) |
| 소유권 | 있음(lock한 스레드만 unlock할 수 있음) |
| 주 용도 | 공유 데이터 보호, 임계 구역 보호 |
간단 예제
pthread_mutex_t lock;
pthread_mutex_lock(&lock);
// critical section (공유 데이터 접근)
pthread_mutex_unlock(&lock);
Semaphore
개념
- “자원의 개수”를 세는 정수 변수를 관리해서, 자원 접근을 조율하는 동기화 도구.
특징
| 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 개의 리소스 접근 제한 (ex. 프린터 5대) |
Binary Semaphore : Lock처럼 0/1만 관리 (뮤텍스 비슷)
Counting Semaphore : 2개 이상 리소스 관리
sem_t sem;
sem_wait(&sem); // 자원 요청
// critical section
sem_post(&sem); // 자원 반환
Condition Variable (조건 변수)
개념
스레드가 어떤 “특정 조건이 될 때까지 기다리게 하는” 도구
Lock과 함께 써야 함! (단독 사용 불가)
특징
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 기본 기능 | wait(조건), signal(조건 성취 시 알림) |
| 기본 상태 | 조건을 기다리는 대기열 |
| 소유권 | Lock과 함께 사용 (Lock 보유해야 wait 가능) |
| 주 용도 | 어떤 상태 변화에 따라 스레드 깨우기 |
wait(): 조건이 만족될 때까지 슬립 (잠깐 Lock도 반납)signal(): 대기 중인 스레드 하나 깨우기broadcast(): 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 만족했으면 수행
pthread_mutex_unlock(&lock);
(※ wait()할 때 lock을 잠시 반납하고, 조건 충족되면 다시 lock을 잡은 채 깨어나)
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 관리 조심 |
| Condition Variable | 조건 기다리기 | Lock과 세트 사용 | signal/broadcast 명확하게 써야함 |
