[컴퓨터 밑바닥의 비밀] 2.3 스레드 안전 코드

2.3.1 자유와 제약

• 스레드 안전을 달성하는 2가지 조건
  • 전용 리소스를 사용하는 스레드는 스레드 안전을 달성할 수 있다.
    • 함수의 지역 변수, 스레드 전용 저장소 등
  • 공유 리소스를 사용하는 스레드는 다른 스레드에 영향을 주지 않도록 하는 대기 제약 조건에 맞게 공유 리소스를 사용하면 스레드 안정을 달성할 수 있다.

 

2.3.2 스레드 안전이란 무엇일까?

• 코드가 스레드 몇 개에서 호출되든 이 스레드들이 어떤 순서로 호출되든 간에 상관없이 올바른 결과가 나온다면, 이 코드를 '스레드 안전'이라고 말함
• 스레드의 전용 리소스와 공유 리소스에 어떤 것들이 있는지 파악해야 함

 

2.3.3 스레드 전용 리소스와 공유 리소스

• 스레드 전용 리소스
  • 함수의 지역 변수, 스레드의 스택 영역, 스레드 전용 저장소
• 스레드 공유 리소스 (전용 리소스 외의 나머지 영역) 
  • 힙 영역
    • 메모리의 동적 할당에 사용되는 영역
    • C/C++ 언어의 malloc 함수와 new 예약어가 요청하는 메모리가 이 영역에 할당됨
  • 데이터 영역
    • 전역 변수가 저장되는 영역
  • 코드 영역
    • 실행 파일의 기계 명령어가 저장되는 영역
    • 읽기 전용이므로 스레드 안전을 신경 쓸 필요 없음
• 주의)
  • 공유 리소스를 사용하는 스레드는 스레드 안전을 위해 반드시 순서를 따라야 함
  • 이를 위해 잠금(lock)이나 세마포어(semaphore) 같은 장치를 사용할 수 있음

 

2.3.4 스레드 전용 리소스만 사용하기

예시)

int func()
{
    int a = 1;
    int b = 1;
    
    return a + b;
}

• 전역 변수나 매개변수에 의존하지 않고 오로지 스레드 전용 리소스인 지역 변수만 사용
  • 해당 변수는 실행된 후 스레드의 스택 영역에서 관리함
• 이런 코드를 무상태 함수(stateless function)라고도 하며, 스레드 안전이라는 것은 분명함

 

2.3.5 스레드 전용 리소스와 함수 매개변수

예시1) 스레드 안전

int func(int num)
{
    num++;
    
    return num;
}

• 함수의 매개변수를 값으로 전달(call by value)하는 경우, 해당 코드는 스레드 안전임
• 값으로 전달된 매개변수도 스레드 전용 리소스이고, 이 매개변수들도 스레드 자신만의 스택 영역에 저장됨

 

예시2) 스레드 안전 X

int func(int* num)
{
    ++(*num);
    
    return *num;
}

• 함수의 매개변수로 포인터를 전달하는 경우, 더이상 스레드 안전을 보장하지 않음
  • 매개변수 포인터가 데이터 영역에 위치한 전역 변수 혹은 힙 영역을 가리키고 있을 수 있음

 

2.3.6 전역 변수 사용

예시1) 스레드 안전

• 사용되는 전역 변수가 처음 프로그램이 실행될 때 한 번 초기화된 후 모든 코드가 이 변수를 읽기만 할 경우 (읽기 전용 전역 변수)

int global_num = 100; // 한 번 초기화 후 이후 코드는 값을 변경하지 않음

int func()
{
    return global_num;
}

 

예시2) 스레드 안전 X

• 전역 변수의 값을 변경할 경우

int global_num = 100;

int func()
{
    ++global_num;
    
    return global_num;
}

 

2.3.7 스레드 전용 저장소

__thread int global_num = 100;

int func()
{
    ++global_num;
    
    return global_num;
}

• __thread 수식어가 붙은 변수는 스레드 전용 저장소에 배치되므로, func 함수는 다시 스레드 안전이 됨
  • 해당 변수가 각 스레드에 복제되고, 각 스레드는 자신이 가진 복사본만 볼 수 있게 됨

 

2.3.8 함수 반환값

• 함수 반환 방식 2가지
  • 값을 반환하는 경우 (return by value) - 스레드 안전
  • 포인터를 반환하는 경우 (return by reference)
    • 공유 리소스를 가리키는 포인터 반환 - 스레드 안전 X
    • 전용 리소스를 가리키는 포인터 반환 - 스레드 안전

 

2.3.10 스레드 안전 코드는 어떻게 구현할까?

• 스레드 안전 구현은 스레드 전용 리소스와 스레드 공유 리소스를 중심으로 진행됨
• 스레드 전용/공유 리소스를 파악하여 아래의 방식을 적용해볼 수 있음
  • 스레드 전용 저장소(thread local storage)
    • 전역 리소스를 사용해야 하는 경우 스레드 전용 저장소로 선언할 수 있는지 확인
  • 읽기 전용
    • 전역 리소스를 반드시 사용해야 한다면 해당 전역 리소스를 읽기 전용으로 사용해도 되는지 확인
  • 원자성 연산(atomic operation)
    • 도중에 중단되지 않음
  • 동기화 시 상호 배제(mutual exclusion in synchronization)
    • 한 번에 하나의 스레드만 공유 리소스에 접근할 수 있도록 함
    • 뮤텍스, 스핀 잠금, 세마포어 등의 방식 존재