Synchronization

1. Synchronization이 필요한 이유

멀티스레드 프로그램에서는 여러 thread가 동시에 실행된다.
이때 global variable, heap object, kernel data structure와 같은
shared resource에 동시에 접근하면 문제가 발생할 수 있다.

이러한 문제를 방지하기 위한 메커니즘이 바로 Synchronization이다.

핵심 목적:
한 시점에 오직 하나의 execution context만
critical code를 실행하도록 보장하는 것

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2. Critical Section이란?

Critical Section이란 여러 thread 또는 execution context가
공유 자원에 접근하는 코드 영역을 의미한다.

이 영역은 반드시 atomic하게 실행되어야 한다.

핵심 조건

• 한 시점에 only one thread
• 다른 thread는 wait
• 중간에 끼어들 수 없음 (no interleaving)

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3. Critical Section의 일반적인 구조

do {
    entry section      // lock 획득
    critical section   // shared resource 접근
    exit section       // lock 해제
    remainder section  // 나머지 코드
} while (true);

• entry section: critical section 진입 제어
• exit section: 다른 thread에게 기회 제공
• remainder section: 공유 자원과 무관한 코드

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4. Sharing Resources

✅ Local variable (공유되지 않음)

• 각 thread는 자신만의 stack을 가짐
• local variable은 stack에 저장됨

void foo() {
    int a = 0;
    a++;
}

👉 Synchronization 불필요

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❌ Global variable (공유됨)

• data segment에 저장됨
• 모든 thread가 접근 가능

int i;  // global variable

👉 Critical Section 필요

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❌ Dynamic object (공유됨)

• heap에 저장됨
• pointer를 통해 여러 thread가 공유

👉 Critical Section 필요

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5. 왜 i++는 atomic하지 않은가?

int i;

void foo() {
    i++;
}

i++는 한 줄 코드지만 실제로는 다음 단계로 실행된다.

1. memory에서 i 값을 register로 load
2. register 값 increment
3. 결과를 다시 memory에 store

👉 여러 instruction으로 구성
👉 atomic operation 아님

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6. An Example of Critical Section

🟢 정상 동작하는 경우 (우연)

• 초기값: i = 7
• Thread 1 실행 완료 후 Thread 2 실행

결과: i = 9

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❌ Race Condition 발생

• 두 thread가 동시에 i = 7을 read
• 각각 increment 후 write-back

결과: i = 8 (incorrect)

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7. Linux Kernel에서의 Critical Section

Linux kernel에서는 단순히 thread만 고려하면 안 된다.

Kernel execution context

• process context
• interrupt context (ISR)
• kernel preemption
• multi-core execution

👉 kernel에서는 훨씬 더 많은 race scenario가 존재

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8. Linux Kernel Device Driver 예제

queue_t *shared_q;

my_irq_handler() {
    tmp = io(...);
    push(shared_q, tmp);
}

my_read() {
    n = length(shared_q);
    if (n > 0) {
        buf = kmalloc(1024);
        pop(shared_q, buf);
    }
}

• shared_q는 shared resource
• ISR과 system call handler가 동시에 접근

👉 push, pop, length 모두 critical section

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9. Kernel에서의 Race Condition 시나리오

1️⃣ Interrupt

• task 실행 중 interrupt 발생
• ISR이 동일한 shared resource 접근

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2️⃣ Kernel preemption

• scheduler가 task를 선점
• 다른 task가 같은 kernel code 실행

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3️⃣ Sleeping

buf = kmalloc(1024);  // sleep 가능

• critical section 중 sleep 발생
• 다른 task가 실행됨

👉 상태 불일치 위험

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10. 해결책

Single-core 환경

• preemption disable
• interrupt disable

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Multi-core 환경

• atomic operation
• spinlock
• mutex
• semaphore