[공통 이론] Race Condition이란?

목차

1. 들어가며
2. Race Condition
3. 원인
4. 비유를 통한 예시
5. Race Condition의 결과
6. 방지 및 완화

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오늘은 강의 중 강사님께서 참고하라고 알려주신 Race Condition에 대해 추가로 알아보았다. 지금은 리눅스를 배우고 있지만 최종적으로는 클라우드를 다룰 수 있게 되는 것이다 보니 점점 알아야할 범위가 소프트웨어에서 하드웨어로까지 이동하는 것 같은 느낌이다. 클라우드 엔지니어는 슈퍼맨, 슈퍼우먼인걸까? 새삼 IT 업계 종사들이 존경스럽다. 사담은 여기까지하고 얼른 들어가보자!

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Race Condition

Race Condition은 컴퓨터 시스템, 특히 동시 또는 병렬 컴퓨팅에서 프로그램 또는 시스템의 동작이 스레드 또는 프로세스가 실행되는 순서와 같은 이벤트의 상대적 타이밍에 따라 달라지는 상황이다. 프로세스 Race Condition에서 둘 이상의 프로세스는 공유 리소스를 놓고 Race하며 실행 순서는 예측할 수 없고 바람직하지 않은 결과를 초래할 수 있다.

Race Condition은 여러 프로세스가 공유 데이터 또는 리소스에 액세스하고 시스템이 해당 리소스에 대한 액세스를 적절하게 제어하거나 동기화하지 않을 때 종종 발생한다. 이로 인해 데이터 손상, 충돌 또는 시스템의 의도하지 않은 동작과 같은 다양한 문제가 발생할 수 있다.

Race Condition은 방지하기 위해 개발자는 종종 잠금, 세마포어 또는 모니터와 같은 동기화 기술을 사용하여 한 번에 하나의 프로세스만 공유 리소스에 액세스할 수 있도록 하거나 특정 실행 순서를 적용한다. 적절한 동기화를 구현함으로써 Race Condition은 방지하고 동시 또는 병렬 시스템의 올바른 기능을 보장할 수 있다.

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원인

• 불충분한 동기화
  여러 스레드 또는 프로세스가 적절한 동기화 없이 공유 리소스에 액세스하면 Race Condition이 발생할 수 있다.
  
  
• 비원자적 작업
  여러 단계로 구성되고 단계 사이에서 중단될 수 있는 작업은 비원자적이다. 여러 스레드가 공유 리소스에서 비원자적 작업을 수행하는 경우 Race Condition이 발생할 수 있다.
  (더 이상 쪼갤 수 없는 행위를 '원자성을 가진다'라고 하며 이러한 특성을 가진 것을 '원자적이다'고 한다.)
  
  
• 실행 순서에 대한 잘못된 가정
  프로그래머가 강제하지 않고 특정 실행 순서를 가정할 때 실제 실행 순서가 다를 경우 Race Condition이 발생할 수 있다.

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비유를 통한 예시

철수와 민수이라는 두 사람이 잔액이 1,000원인 공동 은행 계좌를 공유한다고 상상해 보자. 철수는 500원를 인출하기를 원하고 동시에 민수은 300원를 인출하기를 원한다. 두 트랜잭션이 동시에 발생하여 잠재적인 Race Condition이 발생할 수 있다.

1. 철수의 트랜잭션이 시작되고 계정 잔액을 1,000원으로 읽는다.
2. 민수의 트랜잭션도 시작되고 계정 잔액을 1,000원으로 읽는다.
3. 철수의 거래는 인출 후 새 잔액을 계산한다: 1,000원 - 500원 = 500원.
4. 민수의 거래는 인출 후 새 잔액을 계산한다: 1,000원 - 300원 = 700원.
5. 철수의 트랜잭션은 계정 잔액을 500원으로 업데이트한다.
6. 민수의 트랜잭션은 계정 잔액을 700원으로 업데이트한다.

이 시나리오에서 두 번의 인출 후 계정 잔액은 200원이어야 한다. 그러나 경쟁 조건으로 인해 최종 잔액은 700원이며 이는 잘못된 값이다. 두 트랜잭션 모두 동기화 없이 계정 잔액을 읽고 업데이트하여 서로의 계산을 방해할 수 있기 때문에 문제가 발생했다.

이러한 경합 상태를 방지하기 위해 잠금과 같은 동기화 메커니즘을 사용할 수 있다. 잠금은 한 번에 하나의 트랜잭션만 계정 잔액에 액세스할 수 있도록 한다. 이 경우 철수 또는 민수의 거래는 진행하기 전에 상대방이 완료될 때까지 기다려야 하므로 잘못된 잔액 업데이트를 방지할 수 있다.

적절한 동기화를 구현함으로써 개발자는 경합 상태를 방지하고 공유 리소스가 동시 또는 병렬 시스템에서 올바르게 액세스되고 수정되도록 할 수 있다.

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Race Condition의 결과

1. 데이터 손상
   Race Condition으로 인해 데이터 Condition이 일관되지 않거나 잘못될 수 있다.
   
   
2. 예측할 수 없는 동작
   Race Condition의 비결정적 특성으로 인해 시스템 동작을 예측하거나 재현하기 어려울 수 있다.
   
   
3. 보안 취약성
   Race Condition은 때때로 공격자가 무단 액세스 또는 권한을 얻기 위해 악용할 수 있다.

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방지 및 완화

1. 뮤텍스 및 잠금
   뮤텍스("mutual exclusion"의 줄임말) 및 잠금은 공유 리소스에 대한 액세스를 동기화하는 데 사용된다. 한 번에 하나의 스레드 또는 프로세스만 잠금을 획득할 수 있으므로 제어된 방식으로 공유 리소스에 액세스할 수 있다.
   
   
2. 세마포어
   세마포어는 공유 리소스에 대한 액세스를 제어하는 ​​데 사용되는 또 다른 동기화 프리미티브다. 특히 여러 스레드나 프로세스가 제한된 수의 인스턴스로 동시에 리소스에 액세스할 수 있는 경우에 그렇다.
   
   
3. 원자적 작업
   중요한 작업이 원자적(즉, 중단되거나 인터리브될 수 없음)인지 확인하면 Race Condition을 방지하는 데 도움이 될 수 있다.
   
   
4. 적절한 동시 시스템 설계
   동시 시스템의 요구 사항을 철저히 이해하고 스레드 또는 프로세스 간의 상호 작용을 신중하게 설계함으로써 Race Condition을 최소화하거나 피할 수 있다.

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