💡 이 글은 회사 인턴 기간에 스터디한 내용을 정리한 글입니다!

1. 개념

여러 블로그에 정리된 Race Condition에 대한 설명은 나에겐 추상적으로 느껴졌다.
고민 끝에 내가 내린 Thread Safety의 정의는 사용자 입장에서 이상 동작을 하지 않는 것이다.

개발을 할 때 이상 동작을 하지 않게 프로그래밍하는 것은 당연하다.
이 당연한 것 때문에 Thread Safety라는 단어까지 만든 이유는 무엇일까?

멀티스레드 환경에서 쉽게 해결되지 않는 여러 문제를 만난 선배 개발자들이 중요성을 강조하기 위해 만든 것이 아닐까 생각했다.

2. 문제 및 해결방안

2.1 Race Condition

멀티스레드 환경에서는 여러 스레드가 하나의 자원에 접근할 수 있다.
여러 스레드가 하나의 자원에 접근할 때, 실행 순서에 따라 결과가 달라지는 문제 상황이다.
이런 상황을 '경합 상태'에 빠졌다고 부른다.
두 스레드가 하나의 자원을 두고 Race하는 것 같다고 해서 붙여진 이름이다.

어떻게 이 문제를 해결할 수 있을까?

2.1.1 Mutex

해결 방안 중 하나는 Mutex를 사용하는 것이다.
Mutex는 Lock이라는 개념을 사용한다.
각 스레드는 공유 자원에 접근하기 전에 Lock을 걸어야 한다.
Lock이 걸린 공유 자원은 해당 스레드가 작업을 끝내고 Lock을 풀기 전까지 다른 스레드가 접근할 수 없게 된다.
먼저 접근한 스레드가 Lock을 거는 상황을 공유 자원을 점유했다고 표현한다.

다른 스레드는 먼저 Lock을 수행한 스레드가 작업을 끝낼 때까지 기다렸다가 Lock이 해제되면 공유 자원에 접근할 수 있게 된다.
공유 자원에 한 번에 하나의 스레드만 접근하도록 제어해 Race Condition 문제를 해결한다.

그러면 Mutex만 쓰면 Thread Safety는 걱정할 필요가 없을까?

2.2 Deadlock

Mutex를 사용하면 데드락(Deadlock) 문제가 발생할 수 있다.

A와 B, 2개의 공유 자원이 있다고 가정하자.
2개의 공유 자원에 모두 접근해야 하는 작업을 하는 두 스레드가 있다.
한 스레드는 공유 자원A에 접근한 상태에서, 공유 자원B에 접근하고자 한다.
또 다른 스레드는 공유 자원 B에 접근한 상태에서, 공유 자원A에 접근하고자 한다.

각 스레드는 2번째 접근하려는 공유 자원에 Lock이 걸려있기 때문에 Lock이 풀릴 때까지 대기하게 된다.
두 스레드는 하나의 자원을 점유하고 반대편 자원을 기다리면서 무한정 대기하게 된다.

데드락은 어떻게 해결할 수 있을까?

2.2.1 자원 해제

2번째 공유 자원에 접근을 실패했을 때, 1번째 공유 자원에 Lock을 해제한다.
그러면 기다리던 다른 스레드가 작업을 마무리할 수 있게 되고, 자신은 다시 처음부터 작업을 수행하면 된다.

이제 정말 Thread Safety가 지켜졌을까?

2.3 Livelock

자원을 해제하는 방식을 사용해도 멀티스레드 환경에서 이상 동작이 발생할 수 있다.
라이브락(Livelock)이라고 불리는 상황이다.

앞에서 설명한 방법대로 접근하려는 공유 자원에 Lock이 걸려 있는 경우, 먼저 점유하고 있던 공유 자원을 해제하게끔 스레드 동작을 구현해놓았다고 가정하자.

만약 두 스레드가 동시에 동작하면 어떻게 될까?

각 스레드는 첫번째 공유 자원을 점유하고 두번째 공유 자원에 접근하려고 한다.
하지만 다른 스레드가 두번째 공유 자원을 이미 점유하고 있어서 첫번째 공유 자원의 Lock을 해제하고 작업을 처음부터 다시 수행하게 된다.

그리고 이 상황이 반복된다.

두 스레드는 열심히 공유 자원을 Lock을 걸었다가 해제했다가 하지만 정작 필요한 작업을 수행하지 못하게 된다.

이 문제는 또 어떻게 해결해야 될까?

2.3.1 스레드에 우선 순위 부여

각 스레드에 우선 순위를 부여해보자.
각 스레드 작업에 따라 우선 순위를 부여해서 우선 순위가 높은 스레드는 낮은 스레드가 점유한 공유 자원을 해제할 때까지 기다리고, 우선 순위가 낮은 스레드는 즉시 공유 자원을 해제하게끔 하면 문제를 해결할 수 있을 것 같다.

이제 정말 Thread Safe할까?

2.4 Starvation

한글로 번역하면 '기아', '굶주림'이다.
우선 순위가 낮은 스레드가 다른 우선 순위가 높은 스레드에 계속 밀려서 작업을 수행하지 못하는 상태를 의미한다.

3. 결론

Mutex를 이용해 멀티스레드의 Thread Safety를 보장하기 위한 방법을 공부했다.
Mutex를 이용한 방법은 Thread Safety를 지키기 위한 가장 일반적인 해결책이지만 완벽하지 않을 수도 있음을 확인했다.
설계 단계에서 프로그램의 특징을 고려해 어떤 식으로 스레드 동작을 구현해야 안전할 지 깊은 고민이 필요해보인다.

다음 글에서는 Thread Safety를 지키기 위한 또 다른 방법인 ThreadLocal에 대해서 공부해보자.