[OS] 멀티스레드에서 경쟁 상태 해결: 상호 배제 (뮤텍스와 세마포어)

📌 오늘 주제인 경쟁 상태와 상호 배제는 멀티스레드 외에도 멀티프로세스에서도 발생할 수 있는 문제이지만
제가 멀티스레드에 대해 배우며 정리한 내용으로, 멀티스레드에 대해서만 중점적으로 언급했습니다.
착오가 없으시길!

✅ 멀티스레드란?

이전 글에서 스레드의 개념을 살펴봤습니다.

⚙️ 프로세스 / 스레드 개념 정리

 

멀티스레드란 하나의 프로세스 안에 여러 개의 스레드가 있는 상태를 말합니다.

즉, 하나의 프로세스 안에서 두 가지 이상의 작업을 할 수 있습니다.

 

 

크롬에서 여러 창을 띄워 각자 작업할 수 있듯이

멀티스레드 환경에서는 여러 작업을 동시에, 독립적으로 수행할 수 있다는 장점이 있습니다.

예를 들어, 카카오톡에서 파일을 전송하는 데 몇 초가 걸리기도 하지만, 그 시간 동안 사용자는 전송이 끝나기를 기다리는 게 아니라 새로운 톡을 보내는 등의 다른 행동을 자유롭게 할 수 있습니다.

 

또한 서로 별개의 메모리 공간을 가지는 프로세스와 달리

스레드끼리는 프로세스 내 메모리를 일부 공유하기 때문에 멀티 프로세스에 비해 자원과 공간이 절약되는 효과가 있습니다.

 

그러나 동시에 접근하고 실행되는 흐름이 많다는 것은 공유 자원을 둘러싼 문제의 가능성도 커진다는 뜻이기도 합니다.

그 대표적인 문제로 교착 상태(Deadlock), 기아 상태(Starvation), 경쟁 상태(Race Condition) 등이 있는데

이 글에서는 경쟁 상태(Race Condition)에 대해 자세히 다뤄보겠습니다.

 

---

🚀 경쟁 상태 (Race Condition)

경쟁 상태란 둘 이상의 스레드가 공유된 자원에 대해 동시에 접근하면서 실행 순서에 따라 결과가 달라지는 문제를 말합니다.

 

예를 들어 볼까요?

public class Counter {
    private int count = 0;

    public void increment() {
        count++;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

 

위의 increment() 메서드는 단순히 count를 1 증가시키는 코드입니다.

여러 스레드가 동시에 이 메서드를 호출하면 어떻게 될까요?

 

Thread t1 = new Thread(() -> {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        counter.increment();
    }
});

Thread t2 = new Thread(() -> {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        counter.increment();
    }
});

 

두 개의 스레드에서 각각 1000번씩 증가시켰는데

결과가 2000보다 작을 수 있습니다.

 

문제는 count++이란 동작이 사실 세 개의 동작으로 나뉘기 때문입니다.

1. count 값을 읽는다
2. 1을 더한다
3. 결과를 다시 count에 저장한다

이 세 동작 중간에 다른 스레드가 끼어들면, count 값은 엉뚱하게 증가하거나 건너뛰게 됩니다.

 

예를 들어, 두 스레드가 아래와 같은 순서로 실행된다고 해봅시다.

- 스레드 A: count 값을 읽음 → (count == 0)
- 스레드 B: count 값을 읽음 → (count == 0)
- 스레드 A: 1을 더해 1 저장
- 스레드 B: 1을 더해 1 저장

 

결과적으로 두 번 증가했지만 실제 값은 1입니다.

 

이 문제를 해결하려면, 공유 자원에 대해 스레드들이 순서대로 접근하도록 "동기화" 작업이 필요합니다.

---

🧪 해결 전략

경쟁 상태를 해결하기 위한 동기화 메커니즘으로 상호배제에 대해 알아보겠습니다.

💡 상호배제(Mutual Exclusion)

일반적인 프로세스 내 코드 구조입니다.

코드 중 공유 자원에 접근하는 구역을 임계 구역(critical section)이라고 합니다.

📌 임계 구역이란? (critical section?)

둘 이상의 프로세스에서 동시에 접근해서는 안 되는 공유 자원에 접근하는 코드 구역
(a piece of code that accesses a shared resources(data structure or device) that must not be concurrently accessed by more than one processes.)

 

여러 스레드가 동시에 임계 구역에 진입한다면 경쟁 상태가 발생하게 됩니다.

그래서 이를 방지하는 문제를 임계 구역 문제(Critical Section Problem)이라고 부르기도 합니다.

 

이를 막기 위해 스레드가 임계 구역에 들어가기 전에

자신이 임계 구역에서 작업하는 동안 다른 스레드들이 진입하지 못하도록 lock을 설정하고,

임계 구역에서의 작업이 끝나면 lock을 해제하는 동작이 필요합니다.

 

즉, 이미 한 스레드가 임계 구역에서 작업 중이라면 다른 스레드는 임계 구역에 진입하면 안 됩니다.

이를 상호 배제(Mutual Exclusion)이라고 합니다.

 

다음은 멀티스레드 환경에서 상호배제를 구현하는 대표적인 두 가지 동기화 메커니즘

뮤텍스와 세마포어에 대해 살펴봅시다.

✅ 뮤텍스(Mutex)

"한 번에 하나만 들어올 수 있다"

 

공유 자원에 대해 한 번에 하나의 스레드만 접근 가능한 전략입니다.

 

한 스레드가 자원에 접근하면 풀릴 때까지 락(lock)이 걸립니다.

이 락을 풀 수 있는 건 락을 건 해당 스레드 뿐입니다.

이 자원에 접근하고자 하는 나머지 스레드는 락이 풀릴 때까지 기다립니다.

 

Java에서는 아래와 같이 synchronized 키워드를 메서드에 붙여 increment() 메서드 실행 전후로 락을 걸 수 있습니다.

public synchronized void increment() {
    count++;
}

 

synchronized 키워드를 이용한 경우 작업이 끝난 스레드가 락을 반환할 때, 다음으로 락을 획득할 스레드가 어떤 스레드일지에 대한 보장이 없기 때문에

어떤 스레드는 락을 획득하지 못하고, 계속 접근을 기다리는 기아 상태가 될 가능성이 있습니다.

(일반적으로는 JVM이 공정하게 락을 분배하려 합니다.)

 

이러한 문제를 해결하기 위해 명시적 락을 사용하기도 합니다. 대표적인 예로 Java의 ReentrantLock이 있습니다. 

private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public void increment() {
    lock.lock();
    try {
        count++;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

 

syncronized 키워드와 명시적 락 모두 다른 스레드에서 확인할 수 있는 게 아니라 하나의 스레드 내에서만 일어나는 일입니다.

따라서 뮤텍스에서는 락을 획득한 스레드만이 락을 해제할 수 있습니다.

이처럼 뮤텍스에서 락은 소유권의 개념이 있습니다.

뮤텍스의 목적은 한 스레드가 어떤 공유 자원에 대해 독점적으로 작업을 끝마칠 때까지 보호하는 것이기 때문입니다.

 

🔑 뮤텍스에서 핵심은 한 번에 하나의 스레드만 접근 가능하도록 보장한다는 점입니다.

 

✅ 세마포어(Semaphore)

세마포어 역시 공유자원에 여러 스레드가 접근되는 것을 막는 방법이지만

뮤텍스와 다르게 반드시 한 번에 하나의 스레드만 접근할 수 있는 것은 아닙니다.

세마포어에서는 동시에 정해진 개수만큼의 스레드가 공유 자원에 접근할 수 있습니다.

 

Semaphore라는 정수형 카운터 변수(보통 s로 표시)를 이용하여 동시에 공유 자원에 접근할 수 있는 스레드의 수를 제한합니다.

처음에 공유 자원에 접근할 수 있는 동시 스레드 수를 N개로 정하면, 최대 N개만 동시에 임계 구역에 진입할 수 있고,

그보다 더 많은 스레드가 접근하려고 하면 먼저 들어가 있던 스레드가 나올 때까지 기다려야 합니다.

"아니.. 동시에 하나의 스레드만 임계 구역에 들어가야 한다면서요?! 세마포어가 상호배제인 거 맞아요?"

 

경쟁 상태를 막기 위해 한 시점에 오직 하나의 스레드만 공유 자원에 접근할 수 있도록 제한하는 것이 상호 배제입니다.

상호 배제를 구현하는 도구로 오늘 살펴본 뮤텍스와 세마포어 등이 있는거죠.

만약 세마포어에서 동시에 공유 자원에 접근할 수 있는 스레드의 개수를 "1개"로 설정한다면

뮤텍스처럼 한 번에 하나의 스레드만 들어가겠죠? 이러한 세마포어를 Binary Semaphore라고 합니다.

Binary Semaphore로 구현하면 상호 배제를 구현할 수 있습니다.

오늘 배운 상호 배제 외에도 동기화 용도로 세마포어를 사용하기도 합니다.

 

이 Semaphore에서는 P 연산과 V 연산을 이용해 자원에 접근합니다.

P()는 임계 구역에 진입하고자 할 때 호출하고, V()는 임계 구역에서 나올 때 호출합니다.

P(s) {

    while(S <= 0) {
    	do wait; // no operation
    }
    S--;
}

V(s) {
	S++;
}

 

📌 P 연산

공유 자원을 얻기 위해 임계 구역에 들어가기 전 entry section(진입 구간)에서 P 연산을 합니다.

이때 세마포어 값을 점검하여 누군가 이 자원을 사용하는지 알 수 있습니다.

 

만약 세마포어 s > 0 이면, 해당 스레드가 자원에 접근할 수 있다는 의미입니다.

s를 1 감소시키고 임계 구역에 진입합니다.

 

반면 s <= 0이면 다른 스레드가 이미 임계 구역에서 작업 중이라는 의미이므로 s가 다시 양수가 될 때까지 대기합니다.

 

이때 s는 무엇을 의미할까요? 바로 "현재 임계 구역에 진입 가능한 스레드의 수"입니다.

 

📌 V 연산

V연산은 점유하고 있던 공유 자원을 풀어주는 것입니다.

임계 구역에서 벗어나 exit section에 접어들 때 V 연산을 수행합니다.

 

스레드가 공유 자원에 대한 작업을 끝내면 세마포어 s의 값이 1 증가합니다.

이때 대기하고 있던(sleep 상태이던) 스레드가 있었다면 잠에서 깨어나 공유 자원에 접근하게 됩니다.

 

세마포어는 뮤텍스와 달리 락에 대한 소유권 개념이 없는 공유 자원 접근 제어 도구입니다.

세마포어를 사용하는 어떤 스레드라도 V 연산으로 세마포어 값을 증가시켜 자원을 해제할 수 있습니다.

 

V 연산은 “공유 자원의 사용이 끝났음을 알릴 책임이 있는 스레드”가 호출합니다.
이 스레드는 반드시 P 연산을 했던 같은 스레드일 필요는 없습니다. (물론 같아도 됩니다.)

 

예를 들어 이런 경우가 있다고 합시다. (참고로 이 예시는 운영체제에서 많이 예시로 드는 생산자 - 소비자 문제를 단순화한 버전입니다.)

• 🧑‍🌾 생산자 Producer: 상품을 생산해 마트에 납품함
• 🧺 소비자 Consumer: 마트에서 상품을 구입함
• 문제: 소비자는 마트에 상품이 없으면 기다려야 함
  • ➡️ 생산자가 마트에 납품했을 때 소비자에게 "이제 사!"하고 신호를 줘야 함

이때 세마포어는 현재 마트에 상품 재고가 몇 개 있는지를 나타내는 숫자 카운터입니다.

Semaphore items = new Semaphore(0);  // 현재 마트에 상품이 0개 있다고 가정

Thread producer = new Thread(() -> {
    while (true) {
        produceItem();
        items.release();  // V 연산! 상품 하나 추가했어!
    }
});

Thread consumer = new Thread(() -> {
    while (true) {
        items.acquire();  // P 연산! 재고가 없으면 기다림
        consumeItem();	// 상품 구입
    }
});

 

Producer는 V 연산만, Consumer는 P 연산만 합니다.

이로써 생산자는 소비자에게 물건을 추가했다고 알리고, 소비자는 생산자에게 물건이 필요하다고 알릴 수 있죠.

 

세마포어는 "누가" 자원에 접근했는지가 중요한 게 아니라
"몇 개의 스레드"가 자원에 접근했는지가 중요하기 때문에 누구나 락을 해제할 수 있습니다.

 

 

정리하자면,

 

뮤텍스에서는 하나의 자원에 동시에 하나의 스레드만이 접근할 수 있었고, 락을 설정한 스레드만 락을 해제할 수 있습니다.

(동기화 대상이 하나)

세마포어에서는 미리 지정한 최대 N개의 스레드가 하나의 자원에 동시 접근할 수 있습니다. 누구나 락을 해제할 수 있습니다.

(동기화 대상이 하나 이상)

---

💡 요약

멀티스레드 환경에서는

여러 스레드가 공유 자원에 동시에 접근하면서

데이터 불일치나 예기치 않은 동작 문제가 일어날 수 있습니다.

 

이를 방지하려면 동시에 실행되는 스레드 간 자원 접근을 조율해야 하며,
이를 위해 뮤텍스(Mutex), 세마포어(Semaphore)와 같은 동기화 도구를 사용합니다.

 

• 🧵 멀티스레드 환경(Multi-Thread): 동시에 여러 작업이 가능하지만, 공유 자원 충돌 위험이 있음
• ⚠️ 경쟁 상태(Race Condition): 여러 스레드가 동시에 같은 자원에 접근할 때 실행 순서에 따라 오류 발생
• ✅ 상호 배제(Mutual Exclusion): 이미 임계 구역(critical section)에서 작업 중인 스레드가 있다면, 다른 스레드는 접근 불가
• 🔒 뮤텍스 (Mutex): 한 번에 하나만 접근 가능, 락 소유자만 해제 가능
• 🟢 세마포어 (Semaphore): 동시에 여러 스레드 접근 가능, 소유자 관계 없이 해제 가능

---

 

참고자료

• 멀티 프로세스 vs 멀티 스레드 비교 완전 총정리
• 스레드(Thread), 멀티스레드(Multi-Thread)!
• 경쟁 상태(Race Condition)
• [Thread] 뮤텍스, 세마포어, 모니터의 스레드 동기화와 구현 예제
• 광운대학교 시스템프로그래밍 교과목 강의자료
• + 팀원 한상은 님의 글