[OSTEP] 26. 병행성(Concurrency): 개요 - 스레드와 경쟁 상태

병렬성 (Parallelism): 멀티코어 환경에서 작업을 쪼개 동시에 실행하여 속도를 높입니다.(예: 큰 배열 연산 분산 처리)
I/O 대기 시간 활용: 한 스레드가 I/O 작업으로 막혀도(Block), 다른 스레드가 CPU를 사용해 유용한 작업을 계속할 수 있습니다.

3. 스레드 생성과 스케줄링의 비결정성#

스레드는 pthread_create()로 생성하고 pthread_join()으로 종료를 기다립니다.

다음 코드는 메인 스레드가 A와 B를 출력하는 두 스레드를 만듭니다.

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#include <stdio.h>
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#include <pthread.h>
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void *mythread(void *arg) {
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printf("%s\n", (char *)arg);
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return NULL;
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}
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int main(int argc, char *argv[]) {
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pthread_t p1, p2;
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// 스레드 생성: mythread("A"), mythread("B") 실행
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pthread_create(&p1, NULL, mythread, "A");
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pthread_create(&p2, NULL, mythread, "B");
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// 대기
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pthread_join(p1, NULL);
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pthread_join(p2, NULL);
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return 0;
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}

핵심은 실행 순서를 알 수 없다는 점입니다. OS 스케줄러의 선택에 따라 A가 먼저 나올 수도, B가 먼저 나올 수도 있습니다.이처럼 같은 입력에도 실행 순서와 결과가 달라질 수 있는 성질을 Indeterminate(비결정적)이라고 합니다.

Figure 26.3 Thread Trace Example

4. 공유 데이터가 들어오면 문제가 시작된다#

단순 출력만으로는 큰 문제가 드러나지 않지만, 공유 데이터를 건드리기 시작하면 심각한 문제가 발생합니다. 다음은 두 스레드가 하나의 counter 변수를 공유하며 각각 10,000,000번씩 1을 더하는 예제입니다.

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static volatile int counter = 0;
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// 각 스레드가 이 루프를 10,000,000번 반복합니다.
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for (i = 0; i < 1e7; i++) {
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counter = counter + 1;
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}

기대하는 결과는 20,000,000이지만, 실제 실행해보면 19,345,221 같은 예상과 다른 값이 나옵니다.심지어 실행할 때마다 값이 바뀌기도 합니다.

5. 왜 이런 일이 생기는가: 경쟁 상태 (Race Condition)#

문제의 원인은 counter = counter + 1 코드가 원자적(Atomic)이지 않기 때문입니다. 이 C언어 코드는 어셈블리어(x86) 관점에서 보면 3단계로 쪼개집니다.

mov 0x8049a1c, %eax: 메모리에서 값을 레지스터로 가져옵니다 (Load).
add $0x1, %eax: 레지스터 값을 1 증가시킵니다 (Add).
mov %eax, 0x8049a1c: 레지스터 값을 다시 메모리에 저장합니다 (Store).

만약 타이머 인터럽트로 컨텍스트 스위치가 이 명령어들 사이에 끼어들면 어떻게 될까요?

Figure 26.7 The Problem Up Close

Thread 1이 counter(50)를 로드하고 1을 더해 51을 만듭니다 (아직 저장하지 않음).
(인터럽트 발생) Thread 2로 전환됩니다.
Thread 2도 counter를 로드합니다.메모리에는 아직 50이 있습니다.
Thread 2가 1을 더해 51을 만들고 메모리에 저장합니다.(counter = 51)
(다시 Thread 1 복귀)
Thread 1은 아까 들고 있던 51을 메모리에 저장합니다.(counter = 51)

결국 두 번 더했는데 결과는 1만 증가했습니다.이처럼 실행 타이밍에 따라 결과가 달라지는 상황을 Race Condition(경쟁 상태)이라고 합니다.

6. 원자성(Atomicity)의 필요#

우리가 원하는 것은 임계 영역의 명령어들이 마치 하나의 슈퍼 명령어처럼 실행되는 것입니다.

NOTE
All or Nothing

중간에 끊기지 않고 모두 실행되거나, 아예 실행되지 않아야 합니다.이를 Atomicity(원자성)이라고 합니다. 하드웨어는 몇 가지 기본적인 동기화 명령어(Synchronization Primitives)를 제공하고, 운영체제는 이를 이용해 락(Lock) 같은 도구를 만들어 제공합니다.