오늘은 멀티스레드 환경에서 발생하는 대표적인 문제 중 하나인 경쟁 상태에 대해 알아보자 ❗

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1 . 🤼‍♂️ 경쟁 상태란 ? ( Race Condition )

• 멀티스레드 환경에서는 여러 스레드가 동시에 같은 자원 ( 메모리, 파일 , DB 등 )에 접근할 수 있다.
• 이때 실행 순서에 따라 결과가 달라지는 상황을 경쟁 상태 ( Race Condition )라고 부른다.
• 즉 ❗ 누가 먼저 실행됐냐에 따라 프로그램 결과가 달라질 수 있는 예측 불허의 상태인 것이다.
• 이는 프로그램의 안정성과 일관성을 깨뜨리는 대표적인 멀티스레드 문제이다.

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2 . 🤷‍♀️ 경쟁 상태가 발생하는 원인은 ?

• 공유자원 : 여러 스레드가 동시에 읽고 쓰기를 수행할 경우 상태 불일치가 발생할 수 있다.
• 비원자적 연산 : x = x + 1과 같은 단순 연산도 사실은 읽기 -> 계산 -> 쓰기라는 3단계를 거쳐서 나뉘어 실행되기 때문이다.
• 스케줄러의 불확실성 : 어떤 스레드가 언제 CPU를 점유할지 예측 불가능하기 때문이다.
• 적절한 동기화의 부재 : Lock, Mutex, Semaphore 같은 동기화 장치가 없거나 잘못 사용된 경우

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3 . 👩🏻‍🏫 대표적인 EX

• 은행의 계좌 입출금 문제

  • 두 스레드가 동시에 계좌의 잔액을 수정한다고 가정해보자.

public void withdraw(int amount) {
	if (balance >= amount) {
   		balance = balance - amount; 
    }
}  

• 스레드 A가 balance >= amount 검사 후, 아직 balance를 갱신하기 전에
  스레드 B도 같은 검사를 통과 -> 둘다 같은 출금을 진행
• 결과적으로 잔액이 음수가 되거나 실제보다 많이 빠져나가는 문제가 발생한다.

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4 . 🧙‍♂ 경쟁 상태 해결 전략

4 - 1 . 동기화 ( Synchronization )

• Lock / Synchroized 블록
  • 한 번에 하나의 스레드만 공유 자원에 접근하도록 제한
  • EX

public synchronized void withdraw(int amount) {
	if (balance >= amount) {
    	balance = balance - amount;
    }
}

• ReentrantLock ( 명시적 Lock 제어 )
  • 더 세밀한 Lock 제어 가능 ( 타임아웃, 조건 대기 등 지원 )

4 - 2 . 원자적 연산

• AtomicInteger, AtomicLong 같은 원자적 클래스 사용
• 내부적으로 CAS(Compare-And-Swap) 알고리즘을 통해 동기화 문제를 해결

AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
count.incrementAndGet();

4 - 3 . 불변 객체 활용

• 변경 가능한 상태를 공유하지 않고, 새로운 객체를 생성하는 방식
• ex : String 클래스는 불변 객체이므로 스레드 Safe✅

4 - 4 . 스레드 로컬 변수

• 각 스레드마다 독립적인 변수를 유지하여 공유 자체를 피함
• Ex : ThreadLocal 사용

4 - 5 . 병행 제어( Concurrency Control) 기법

• 세마포어(Semaphore) : 동시에 접근 가능한 스레드 수를 제한
• ReadWriteLock : 읽기 스레드는 동시 허용, 쓰기 스레드는 단독 허용
• 데이터베이스 트랜잭션 : DB차원에서 동시성 제어 ( ACID 보장 )

4 - 6 . Concurrent 컬렉션

• ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList 등은 내부적으로 동시성 제어가 적용된 컬렉션
• 직접 synchronized를 걸지 않아도 안전한 병렬 접근 가능

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🔚 마무리

경쟁 상태는 멀티스레드 프로그래밍에서 피할 수 없는 과제이다 ❕
모든 상황에 하나의 정답은 없으며, 공유 자원의 특성과 쓰기 빈도, 성능 요구사항에 따라
적절한 동기화 전략을 선택하는 것이 중요하다. 🤗
오늘 알아본 것을 토대로 문제 상황에 맞는 동기화 전략을 선택하고, 불필요한 동기화는 피하면서 이를 충분히 제어해보자. 💯