[Interview] 레이스 컨디션이 무엇인가요

Race Condition (경쟁 상태)

● 여러 스레드(Thread)나 프로세스(Process)가 동시에 같은 메모리 영역, 자원에 접근하여 읽거나
   쓰기를 할 때, 각 작업의 순서가 결과에 영향을 미치고 있다면 Race Condition이라 합니다.

    - 두 스레드가 같은 변수의 값을 읽고, 그 값을 바탕으로 연산 후 다시 저장하려 할 때,

      어느 스레드가 먼저 값을 저장하느냐에 따라서 변수의 최종 값이 달라질 수 있습니다.

 

● 왜 발생하는가

  - 한 스레드가 공유 변수의 값을 읽은 후 수정하여 저장하는 사이에 다른 스레드도 같은 작업을 수행하면
    서로의 작업이 덮여 쓰여 원치 않는 결과가 발생할 수 있습니다. 이를 Read-Modifiy-Write라 합니다.

 

  - 어떤 조건을 확인하고 행동하는 시점 사이에 다른 스레드가 그 조건에 영향을 주면 원하던 값이
    나오지 않습니다. 이를 Check-Then-Act라 합니다.

 

예시를 들어보면

● 은행 계좌 이체

 - 초기 잔액이 10000원인 계좌에 두 사용자가 각각 5000원, 6000원을 인출하려고 합니다. 

 - 스레드 A와 스레드 B가 동시에 잔액을 10000원으로 확인한 후 인출을 진행하게 된다면,

   두 요청 모두 잔액이 충분하다고 판단하여 실제로 11000원이 인출되는 상황이 올 수 있고
   계좌의 남은 잔액이 음수 상태가 될 수 있습니다.

 

  → 즉, 경쟁 상태(Race Condition)가 발생하면, 각 요청의 실행 순서에 따라 결과가 달라지기 때문에
      데이터 무결성 항목에 위배됩니다.

 

제어 문제

● Mutual exclusion

  - Race Condition을 최대한 배제하기 위해서는 두 개 이상의 프로세스가 공용 데이터에 동시에 접근을 하는 것을 막아야 합니다. 한 프로세스가 공용 데이터를 사용하고 있으면 그 자원을 사용하지 못하도록 막거나, 다른 프로세스가 그 자원을 사용하지 못하도록 막으면 Race Condition에 빠지지 않습니다. 이를 상호 배제(Mutual exclusion)이라고 합니다.

 

● Deadlock

  - 상호 배제를 시행한다고 해서 해결되는 것이 아닙니다. 추가적인 제어 문제가 발생하는데 교착상태(Deadlock)가 발생할 수 있습니다. 프로세스가 각자 프로그램을 실행하기 위해 두 자원 모두에 접근해야 한다고 가정할 때, 프로세스는 두 자원 모두를 필요로 하기 때문에 두 리소를 사용하여 프로그램을 수행할 때까지 이미 소유한 리소스를 해제하지 않습니다. 이러한 상황이 된다면 두 프로세스는 교착 상태(Deadlock)가 발생하는 문제가 있습니다.

 

● Starvation

  - 기아 상태라고도 하며, 프로세스들이 더 이상 진행을 하지 못하고 영구적으로 블록되어 있는 상태입니다. 시스템 자원에 대한 경쟁 도중에 발생할 수 있으며 프로세스 간의 통신 과정에도 발생할 수 있는 문제입니다. 두 개 이상의 작업이 서로 상대방의 작업이 끝나기만을 기다리고 있기 때문에 결과적으로 아무것도 완료하지 못하는 상태에 빠지게 됩니다.

경쟁 상태를 예방하려면

● Race Condition을 사전에 예방하기 위해 공유 자원에 접근할 때 동기화 과정이 필요합니다.

  ○ 락(Mutex) : 임계 구역(Critical Section)에 접근할 때 Lock을 걸어 한 번의 하나의 스레드만 실행이 되도록 합니다.

 

  ○ 세마포어(Semaphore) : 제한된 수의 스레드만 공유 장원에 접근할 수 있도록 제어합니다.

 

  ○ 원자적 연산(Atomic Operation) : 하드웨어나 라이브러리에서 제공하는 원자적 연산을 사용하여 중간에 다른 스레드가 끼어들지 못하게 설정합니다.

 

정리

  Race Condtion은 동시성 프로그래밍에서 자주 발생합니다. 성능과 프로그램에 맞는 동기화 기법을 사용하여 경쟁 상태를 예방하고 대비해야 합니다.