운영체제 | Race Condition

성수당·2025년 9월 5일

운영체제

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🥔 Race Condition이란?

멀티스레딩 또는 멀티프로세싱 환경에서 둘 이상의 실행 흐름이 동시에 같은 자원에 접근하고, 그 접근 순서에 따라 결과가 달라지는 현상을 Race Condition(경쟁 상태) 이라고 한다.

동기화가 제대로 이루어지지 않은 상태에서 발생하며, 심각한 버그나 예측 불가능한 동작을 초래할 수 있다.

🥔 왜 "Race"라고 부를까?

여러 스레드가 자원에 먼저 접근하려고 "경쟁" 하기 때문이다.
이 경쟁에서 누가 먼저 도착하느냐에 따라 결과가 달라진다면, Race Condition이 발생한 것이다.

예를 들어, 두 스레드가 동시에 하나의 전역 변수를 수정한다면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다.

// 공유 변수
int count = 0;

// 스레드 A
count++; // 1 증가

// 스레드 B
count++; // 1 증가

이론적으로 count = 2가 되어야 하지만, 두 스레드가 메모리에 접근하고 값을 증가시키는 시점이 겹치면 결과는 1이 될 수도 있다.

🥔 실제 발생 예: 은행 계좌 예시

두 스레드가 동시에 같은 계좌에서 출금을 시도한다고 가정해보자.

if (balance >= amount) {
    balance -= amount;
}

스레드 A와 B가 동시에 balance를 읽고 충분한 금액이 있다고 판단
두 스레드가 각각 출금 → 이중 출금 발생

즉, 데이터가 변경되기 전과 후 사이에 다른 스레드가 개입하면 예기치 못한 동작이 일어난다.

🥔 언제 발생할 수 있을까?

공유 자원 사용 시 (전역 변수, 힙 메모리, 파일, 네트워크 등)
동기화 없이 여러 스레드가 동작할 때
Context Switching이 자유롭게 일어날 수 있는 환경
멀티코어 CPU 환경에서 병렬 실행이 활발한 경우

🥔 해결 방법: 동기화(Synchronization)

Race Condition을 예방하기 위해선 스레드 간 동기화가 반드시 필요하다.

대표적인 동기화 기법

도구	설명
`Mutex`	하나의 스레드만 임계 구역에 진입 허용
`Semaphore`	제한된 수의 접근만 허용
`Spin Lock`	반복 검사하며 락 대기
`Condition Variable`	조건이 충족될 때까지 대기
`Atomic 변수`	원자적(Atomic) 연산으로 Race Condition 자체 방지

대부분의 경우, Mutex 또는 Semaphore를 이용한 임계 구역 보호(Critical Section Protection) 으로 문제를 해결한다.

🥔 C언어 예시: 동기화 없는 Race Condition

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

int counter = 0;

void* increment(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
        counter++;  // 동기화 없음!
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t t1, t2;
    pthread_create(&t1, NULL, increment, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, increment, NULL);
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    printf("Final Counter: %d\n", counter); // 예상보다 작을 수 있음
}