동기화의 개념과 필요성에 대해 설명하세요.

동기화 개념

여러 작업이 일관된 방식으로 실행되도록 조정하는 과정
여러 작업이 동시에 실행될 때, 발생할 수 있는 불일치와 같은 문제를 방지하여, 작업들이 동시에 예측한대로 작동할 수 있도록 조율하는 것입니다.

필요한 이유

동시성과 같은 환경에서 예상치 못한 문제를 방지하거나, 데이터의 무결성을 유지하기 위해서

[데이터 무결성]
여러 스레드가 동시에 같은 공유 자원에 접근하여 변경할 경우, 데이터가 예상치못한 상태로 저장되는 문제입니다.
일명 데이터 레이스라고 하며, 해당 문제는 동기화를 통해 방지가 가능합니다.

[데드락]

두 개 이상의 작업이 서로 상대방의 자원을 기다리면서 영원히 멈추는 상태

상호 배제(Mutual exclusion)에 대해 설명하세요.

개념

동시에 여러 프로세스나 스레드가 하나의 공유 자원에 접근하지 못하도록 제어하는 기법
즉, 한 번에 하나의 프로세스만 자원에 접근할 수 있도록 보장하는 것임

필요성

여러 프로세스나 스레드가 동시에 같은 공유 자원에 접근하여 작업을 수행하면 데이터의 무결성을 해칠 수 있습니다.
예를 들어, 두 스레드가 동시에 변수를 업데이트하면, 변수의 값이 예상치 못한 값으로 저장될 수 있다는 것입니다.
상호 배제는 이를 방지할 수 있습니다.

iOS에서 상호 배제 구현 종류

NSLock
Dispatch Semaphore
Actor

메모리 가시성에 대해 설명하세요.

개념

var flag: Bool = false

let thread1 = Thread {
    flag = true
}

let thread2 = Thread {
    if flag {
        print("플래그가 참입니다.")
    }
}

thread1.start()
thread2.start()

한 스레드가 메모리에서 변경한 값이 다른 스레드에게 언제 보이게 되는 것인지에 관한 개념입니다.
위 코드에서 thread2는 flag의 상태를 가정하고 작업을 수행하는데, 메모리 가시성에 의해 반영되지 않은 flag에 접근한다면 예상치 못한 결과를 얻게 될 것입니다.

발생 이유

주로 멀티 스레드 환경에서 발생함
CPU 캐시, 메모리 접근 최적화 등의 원인들이 있음

[CPU 캐시 사용] 각 CPU 코어는 메인 메모리에 직접 접근하는 대신, 캐시를 통해 성능을 향상시킵니다. 스레드가 메모리에 접근하면, CPU는 그 값을 메인 메모리가 아닌 캐시에 저장한 후 해당 값을 사용하는 것이죠.

하지만 CPU 코어는 자신의 로컬 캐시를 사용하기 때문에 다른 코어에서 실행 중인 스레드가 변경한 값이 즉시 반영되지 않을 수 있습니다.

[메모리 버퍼링] CPU가 성능을 최적화하기 위해 쓰기 버퍼를 사용하면, 메모리 가시성 문제가 발생할 수 있습니다. 쓰기 버퍼는 메모리로 직접 데이터를 쓰지 않고, 일시적으로 저장해두었다가 나중에 한번에 메모리에 쓰기 작업을 수행하는 것입니다. 이는 다른 스레드가 해당 값에 접근할 때, 최신 값이 아닌 이전 값을 읽을 가능성이 생깁니다.

해결 방법

세마포어와 같은 동기화 기법을 통해 한 번에 하나의 작업이 접근할 수 있도록 하여 해결 가능
volatile 키워드 사용
- 변수를 캐시하지 말고, 항상 메인 메모리에서 읽고 쓰도록 지시하는 방법
- CPU 캐싱을 방지하여 항상 최신 값을 참조하게 만듬
- Swift에서는 지원하지 않음

공유 자원과 임계 구역(critical section)에 대해 설명하세요.

공유 자원 개념

여러 프로세스나 스레드가 동시에 접근하여 사용할 수 있는 자원
자원 예시
- 메모리: 동일한 변수에 접근
- 파일: 같은 파일을 동시에 접근
- 입출력 장치: 동시에 프린터에 출력 작업을 요청

임계 구역 개념

공유 자원을 사용하고 있는 코드 영역
즉, 한번에 하나의 작업만 접근할 수 있도록 보호되어야 하는 블록을 말함 (상호 배제가 필요)

경쟁 조건(Race condition)과 이를 방지하는 방법에 대해 설명하세요.

Race Condition

동시에 여러 작업이 하나의 공유 자원에 접근하여 ‘쓰기’ 작업을 수행함으로써 데이터의 무결성을 해치는 것

Race Condition 예시

var sharedCount = 0

let group = DispatchGroup()

DispatchQueue.global().async(group: group) {
    for _ in 1...1000 {
        sharedCount += 1
    }
}

DispatchQueue.global().async(group: group) {
    for _ in 1...1000 {
        sharedCount += 1
    }
}

DispatchQueue.global().async(group: group) {
    for _ in 1...1000 {
        sharedCount += 1
    }
}

group.notify(queue: .main) {
    print(sharedCount)
}

각 비동기 작업은 sharedCount를 1000번 반복하여 더해줌
그렇다면 3개의 작업이 마무리되었을 경우, sharedCount의 예상 결과 값은 3000이 나와야 함
하지만 실행해보면, 결과는 계속 달라짐 e.g. 2888, 2999, 2988 ...

방지하는 방법

iOS에서는 여러 방법이 있음
- NSLock
- Dispatch Semaphore
- Actor

Dispatch Semaphore 사용 예시

let group = DispatchGroup()
let semaphore = DispatchSemaphore(value: 1)

var sharedCount = 0

DispatchQueue.global().async(group: group) {
    semaphore.wait()
    for _ in 1...1000 {
        sharedCount += 1
    }
    semaphore.signal()
}

DispatchQueue.global().async(group: group) {
    semaphore.wait()
    for _ in 1...1000 {
        sharedCount += 1
    }
    semaphore.signal()
}

DispatchQueue.global().async(group: group) {
    semaphore.wait()
    for _ in 1...1000 {
        sharedCount += 1
    }
    semaphore.signal()
}

group.notify(queue: .main) {
    print(sharedCount)
}

우리가 원하는 결과인 3000이 출력됨

stemmmm / cs-study

5주차 #5