강준현

강준현

개발자

Race Condition

3 분 소요


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1. What is Race Condition?

Wikipedia
공유 자원에 대해 여러 개의 프로세스가 동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이 결과 값에 영향을 줄 수 있는 상태

공유되는 자원(resource)을 둘 이상의 프로세스가 동시에 접근해 사용하는 경우 발생합니다. 자원을 변경하지 않는 안전한 연산일 경우엔 문제가 되지 않습니다. 하지만 자원을 변경하는 연산을 수행할 때 접근하는 순서, 프로세스의 실행 시간 등에 영향을 받아 매번 실행 결과가 달라질 수 있습니다.

1.1. Simple Case of Race Condition

아래 시나리오를 통해 해당 개념을 쉽게 알아보도록 하겠습니다.

  1. 두 프로세스 P1, P2가 존재합니다.
  2. 두 프로세스의 수행 시간은 동일합니다.
  3. 두 프로세스의 연산은 각기 다릅니다.
  4. 동일한 공유 데이터 상태를 읽어 각자 다른 연산을 수행하여 이를 저장합니다.
    • P1 프로세스가 먼저 수행한 경우에는 -100이 저장됩니다.
    • P2 프로세스가 먼저 수행한 경우에는 +100이 저장됩니다.

2. Critical Section

경쟁 상태를 자세히 들여다보기 전에 임계 영역(Critical Section)이 무엇인지 먼저 알아보겠습니다.

Operating System Concepts 9th
Each process has a segment of code, called a critical section, in which the process may be changing common variables, updating a table, writing a fle, and so on.

간단하게 설명하면 프로그램에서 공유 자원을 사용하는 코드 영역을 의미합니다. 임계 영역 내부에서 둘 이상의 프로세스가 공유 자원을 사용하면 에측할 수 없는 결과를 만들게 됩니다. 그렇기 때문에 임계 영역에 대한 프로세스들의 동시적인 접근 문제를 잘 제어한다면 경쟁 상태를 해결할 수 있습니다.

2.1. Solve the problem of Critical Section

임계 영역 문제를 해결하기 위해선 다음과 같은 조건들이 필요합니다.

2.1.1. Mutual exclusion

  • 프로세스의 임계 영역 접근을 상호 배제(mutual exclusion)합니다.
  • 임계 영역 내에서 한 프로세스가 일을 수행 중이라면 다른 프로세스들은 임계 영역 내에서 일을 할 수 없습니다.
  • 뮤텍스(Mutex), 세마포어(Semaphore) 같은 lock 메커니즘을 통해 구현할 수 있습니다.

2.1.2. Progress

  • 프로세스의 임계 영역 접근을 진행(progress)합니다.
  • 임계 영역 내에 일하는 프로세스가 없다면, 대기 중인 프로세스 중에서 다음으로 일을 수행할 프로세스를 선택합니다.

2.1.3. Bounded Waiting

  • 프로세스들을 무한정 대기시키지 않습니다.
  • 제한되는 대기 시간을 가집니다.

3. Practice

위 설명은 프로세스를 기준으로 정리되었지만, 스레드(thread)도 마찬가지로 작은 실행 흐름으로써 공유 자원에 대한 경쟁 상태를 가질 수 있습니다. 스레드들끼린 메모리를 공유할 수 있으며, 이번 포스트에선 하나의 객체를 공유하는 스레드들 사이에 발생하는 경쟁 상태를 간단한 코드로 재현하였습니다.

3.1. Race Condition

  • 공유 자원 객체를 생성합니다.
  • 동일한 객체를 두 스레드가 동시에 접근합니다.
    • 공유 자원의 초기 값은 0입니다.
  • 스레드1은 다음과 같은 작업을 수행합니다.
    • 공유 자원의 상태를 1씩 증가시킵니다.
    • 이를 100회 반복합니다.
  • 스레드2은 다음과 같은 작업을 수행합니다.
    • 공유 자원의 상태를 1씩 감소시킵니다.
    • 이를 100회 반복합니다.
  • 위 작업을 100000회 반복 수행하여 공유 자원의 상태가 초기 값 0이 아닌 상태로 끝나는 횟수를 확인합니다.
package blog.in.action;

import org.junit.jupiter.api.Test;

import java.util.concurrent.CompletableFuture;

class SharedResource {
    int state;

    void increase() {
        this.state++;
    }

    void decrease() {
        this.state--;
    }

    void initialize() {
        this.state = 0;
    }

    boolean isCorrupted() {
        return this.state != 0;
    }
}

public class RaceConditionTest {

    @Test
    void race_condition() {
        int corruptedStateCount = 0;
        SharedResource sharedResource = new SharedResource();
        for (int index = 0; index < 100000; index++) {
            sharedResource.initialize();
            CompletableFuture<Void> thread1 = CompletableFuture.runAsync(() -> {
                for (int subIndex = 0; subIndex < 100; subIndex++) {
                    sharedResource.increase();
                }
            });
            CompletableFuture<Void> thread2 = CompletableFuture.runAsync(() -> {
                for (int subIndex = 0; subIndex < 100; subIndex++) {
                    sharedResource.decrease();
                }
            });
            thread1.join();
            thread2.join();
            if (sharedResource.isCorrupted()) {
                corruptedStateCount++;
            }
        }
        System.out.println(String.format("Corrupted shared resource count - %s", corruptedStateCount));
    }

}
Result of Practice
Corrupted shared resource count - 17

3.2. Race Condition with synchronized Keyword

Java는 임계 영역에 대한 동시성 제어를 synchronized 키워드를 통해 수행합니다. 이를 사용하면 공유 자원을 안전하게 변경 가능합니다.

  • 위와 동일한 방법으로 테스트를 수행하였습니다.
  • synchronized 키워드를 사용해 공유 자원에 대한 각 스레드 접근을 동기화시킵니다.
    @Test
    void race_condition_with_synchronized() {
        int corruptedStateCount = 0;
        SharedResource sharedResource = new SharedResource();
        for (int index = 0; index < 100000; index++) {
            sharedResource.initialize();
            CompletableFuture<Void> thread1 = CompletableFuture.runAsync(() -> {
                for (int subIndex = 0; subIndex < 100; subIndex++) {
                    synchronized (sharedResource) {
                        sharedResource.increase();
                    }
                }
            });
            CompletableFuture<Void> thread2 = CompletableFuture.runAsync(() -> {
                for (int subIndex = 0; subIndex < 100; subIndex++) {
                    synchronized (sharedResource) {
                        sharedResource.decrease();
                    }
                }
            });
            thread1.join();
            thread2.join();
            if (sharedResource.isCorrupted()) {
                corruptedStateCount++;
            }
        }
        System.out.println(String.format("Corrupted shared resource count - %s", corruptedStateCount));
    }
Result of Practice
Corrupted shared resource count - 0

TEST CODE REPOSITORY

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