하루에 하나씩 배우는 컴퓨터 사이언스 개념: 컴퓨터 공학 지식 기반 동기화 원인 이해와 해결 방법

오늘은 컴퓨터 사이언스 개념 중 하나인 동기화 이슈에 대해 살펴봅니다. 스레드와 프로세스의 차이부터 동기화 이슈가 발생하는 원인, 해결 방법에 이르기까지 컴퓨터 공학 지식 기반의 동기화 원인 이해에 필요한 내용을 다뤄보겠습니다.

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1. 스레드와 프로세스의 차이

 

프로세스는 운영 체제 소프트웨어가 실행 중인 프로그램의 인스턴스를 기술적으로 나타낸 것으로, 각각 독립된 주소 공간과 시스템 자원을 가집니다. 프로세스는 운영 체제에 의해 독립적으로 실행 및 관리되며, 다른 프로세스와 구별되는 별도의 실행 흐름을 가집니다. 충돌이나 데이터 유출이 없도록 다른 프로세스와 자원을 공유하지 않습니다.

 

스레드는 프로세스 내에 포함되어 실질적인 작업이 실행되는 실행 흐름](https://en.wikipedia.org/wiki/Thread_(computing)) 입니다. 프로세스는 하나 이상의 스레드를 가질 수 있으며, 한 프로세스 내의 모든 스레드는 같은 메모리 공간을 공유합니다. 이러한 특성으로 인해 스레드는 효율적인 자원 사용 및 병렬 처리 기회를 제공합니다. 그러나 공유되는 메모리 공간으로 인해 스레드들 간의 동기화 이슈가 발생할 수 있습니다.

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2. 동기화 이슈 발생 원인

 

멀티 스레딩 환경에서 여러 스레드가 동시에 공유 메모리를 사용하면 동기화 이슈가 발생할 수 있습니다. 이러한 이슈는 두 개 이상의 스레드가 공유 자원에 동시에 접근하려 할 때 발생합니다. 이로 인한 문제로는 데이터 소실, 데이터 불일치, 함수 호출 순서 변경 등이 있으며, 이러한 문제들은 시스템의 불안정을 초래할 수 있습니다.

 

예를 들어, 두 개의 스레드가 한 개의 카운터 변수를 동시에 증가시키려 할 때, 카운터 값이 의도했던 것보다 작게 증가하는 상황이 발생할 수 있습니다. 이를 경쟁 조건(Race Condition)이라고 합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 공유 자원에 대한 스레드 간 동기화가 필요합니다.

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3. 동기화 이슈 해결 방법

 

스레드 동기화 이슈에 대한 해결책은 크게 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

 

3.1. 잠금 기반 동기화 도구

- 뮤텍스(Mutex): 잠금 메커니즘을 제공하여 공유 자원에 한 번에 하나의 스레드만 접근 가능하도록 한 동기화 도구입니다. 뮤텍스를 사용하면 동시에 공유 자원에 접근을 시도하는 스레드들이 순차적으로 작업을 수행할 수 있게 됩니다.

- 세마포어(Semaphore): 정해진 개수의 스레드가 공유 자원에 동시에 접근할 수 있는 제한된 허용 횟수를 관리하는 동기화 도구입니다. 세마포어를 사용하면, 한정된 자원에 대한 과도한 요청을 방지하고 자원 공유를 효율적으로 관리할 수 있습니다.

 

3.2. 조건 기반 동기화 도구

- 조건 변수(Condition Variable): 특정 조건이 충족될 때까지 스레드를 대기 상태로 만드는 동기화 도구입니다. 조건 변수를 사용하면, 스레드 간의 작업 순서를 제어하거나 잠금을 보다 효율적으로 관리하는 등 안전한 환경을 구축할 수 있습니다.

 

3.3. 동기화에 의한 제어

- 모니터(Monitor): 동기화 메커니즘과 조건 변수를 결합하여 특정 객체에 적용하는 고차원 동기화 방식입니다. 모니터를 사용하면, 객체 내에서 하나의 스레드만 실행되도록 제어할 수 있어 동기화 이슈를 효과적으로 해결할 수 있습니다.

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4. 자바를 사용한 멀티스레드 동기화 예제

 

4.1. 공유 데이터를 가지는 클래스

 

아래 예제에서 `Counter` 클래스는 공유 데이터인 `count`를 가지고 있습니다.

public class Counter {

    private int count = 0;

 

    public synchronized void increment() {

        count++;

    }

 

    public int getCount() {

        return count;

    }

}

 

4.2. 공유 데이터를 사용하는 스레드 클래스

 

아래 예제에서 `CounterThread` 클래스는 `Counter` 클래스의 인스턴스를 사용하며 스레드로 동작합니다.

public class CounterThread extends Thread {

    private final Counter counter;

 

    public CounterThread(Counter counter) {

        this.counter = counter;

    }

 

    @Override

    public void run() {

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {

            counter.increment();

        }

    }

}

 

4.3. 메인 클래스

 

메인 클래스에서는 두 개의 스레드를 생성하고 실행합니다. 여기서는 공유 데이터 `Counter` 객체의 `increment()` 메서드에 `synchronized`가 사용되었기 때문에 동기화가 제대로 작동합니다.

public class Main {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Counter counter = new Counter();

 

        CounterThread counterThread1 = new CounterThread(counter);

        CounterThread counterThread2 = new CounterThread(counter);

 

        counterThread1.start();

        counterThread2.start();

 

        counterThread1.join();

        counterThread2.join();

 

        System.out.println("Final count: " + counter.getCount()); // 출력: Final count: 2000

    }

}

 

위의 예제에서 `Counter` 클래스의 `increment()` 메서드가 `synchronized`로 선언되어 있기 때문에 한 번에 하나의 스레드만 해당 메서드를 실행할 수 있습니다. 이렇게 하면 `Counter` 클래스의 `count` 변수가 동기화 되어 두 개의 스레드가 카운터를 올리더라도 최종 카운트 값이 1000 * 2 = 2000으로 의도한 결과를 얻을 수 있습니다.

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5. 추가 학습 방향 

 

이 글에서 다룬 스레드 동기화 개념과 해결 방법을 바탕으로, 멀티스레딩, 병렬 프로그래밍, 프로세스 간 통신 등 추가적인 주제를 학습할 수 있습니다. 리얼타임 시스템, 비동기 프로그래밍, 데이터 병렬 처리, GPU 프로그래밍 등과 관련된 컴퓨터 사이언스 개념을 공부하면 스레드 동기화 기법을 더욱 효과적으로 사용하고 시스템을 설계하는 능력을 키울 수 있습니다. 건전한 소프트웨어 설계를 위해 컴퓨터 사이언스 원리를 적용하면서, 다양한 동기화 도구 및 기법을 사용하여 시스템 성능 최적화를 추구하는 것이 좋습니다.