경쟁조건(Race Condition)과 Lock - 개념과 예시 한번에 정리하기

ConCurrentHashMap과 HashTable을 공부하면서 경쟁조건과 Lock이 주요 키워드로 등장했다. 스레드를 공부하면서 빈번하게 등장하기 때문에 두 개념 모두 어렴풋이 알고 있긴 하지만 이번 기회에 정리하고 가야겠다.

 

 

| 경쟁 조건 (Race Condition)과 Lock

경쟁 조건은 멀티 스레드 프로그램에서 두 개 이상의 스레드가 데이터나 자원에 동시에 접근하려고 할 때 발생하는 문제이다. 이러한 상황에서 스레드들의 실행 순서에 따라 프로그램의 결과가 달라질 수 있으며, 이는 데이터의 일관성과 정확성을 해칠 수 있다. 경쟁 조건을 방지하기 위해 동기화 메커니즘(대표적으로 Lock)을 사용하여 스레드들이 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 해야한다. 

 

Lock은 동시에 여러 스레드가 같은 자원에 접근하는 것을 방지하는 동기화 메커니즘이다. 자바에서는 synchronized 키워드 또는 Lock 인터페이스를 사용하여 Lock을 구현할 수 있다. synchronized는 메서드나 코드 블록 전체를 임계 영역으로 선정하며, Lock 인터페이스는 더 세밀한 동기화 제어를 가능하게 한다.

 

예시를 통하여 동기화 메커니즘을 사용할 때와 사용하지 않았을 때를 비교하여 경쟁조건과 Lock을 설명하려고 한다.

 

 

| ex1. Lock을 사용하지 않았을 경우

아래 코드는 두 스레드가 같은 카운터 값을 동시에 증가시키려고 할 때 경쟁조건이 발생하는 상황을 보여준다.

public class Counter {
    private int count = 0;

    public void increment() {
        count++; // 여기에 lock이 없음
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Counter counter = new Counter();

        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();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("Final count: " + counter.getCount()); // 예상 결과는 2000이지만, 경쟁 조건으로 인해 다른 값이 출력될 수 있음
    }
}

 

실제 인텔리제이에서 코드를 실행한 결과 1906이 나왔다. increment() 메서드에 lock이 없기 때문에 두 스레드(t1, t2)가 count 변수를 동시에 증가시키려할 때 서로의 작업을 방해한 것이다.

예를 들어, 한 스레드가 count 값(0)을 읽고 값을 증가시키기 전에 다른 스레드도 count(0)를 읽어 증가가 한번만 이루어 질 수 있다.  한 스레드가 0을 읽고 -> 1로 증가 -> 다른 스레드가 1을 읽고 -> 2로 증가 이러한 정상적인 증가가 나타나지 않고 중간에 꼬인것이다. 이러한 문제 때문에 2000이 나오지 않았다.

 

** 자바에서 스레드의 실행 순서는 운영 체제의 스레드 스케줄러에 의해 결정된다. 스레드 스케줄러는 운영체제의 일부로 멀티 태스킹을 가능하게 하기 위해 어떤 스레드를 먼저 실행할지 결정한다. 스케줄을 결정하는 것에는 여러 조건이 있지만  실제 운영 체제의 스케줄러가 이 조건을 어떻게 해석하고 적용할지는 보장할 수 없다. 

 

| ex2. Lock을 사용한 경우

아래 코드는 위 코드에 경쟁조건을 방지하기 위해 Lock을 사용한 코드이다.

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Counter {
    private int count = 0;
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public void increment() {
        lock.lock(); // 락을 획득
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlock(); // 락을 해제
        }
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Counter counter = new Counter();

        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();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("Final count: " + counter.getCount()); // 2000이 정상적으로 출력됨
    }
}

 

여러번 실행했는데 모두 2000이 출력되었다. 이 예시에서 increment 메서드는 ReentrantLock을 사용하여 동기화된다.

이로 인해, 한 시점에 하나의 스레드만이 카운터 값을 증가시킬 수 있으며, 다른 스레드는 락이 해제될 때까지 대기해야 한다. 이 방식을 통해 경쟁 조건을 방지하고 프로그램의 정확성을 보장할 수 있는 것이다.