Critical Section(임계 영역)
- 여러 프로세스 또는 여러 스레드가 공유 자원에 접근할 때 한 번에 하나만 접근할 수 있도록 보장해주는 영역
- C#에서는 대표적으로
Monitor클래스 또는lock()구문을 통해 만들 수 있다.
Monitor 클래스
-
크리티컬 섹션을 만들어줄 수 있다.
-
Enter(진입), Exit(탈출)로 이루어져 있다.
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class Program
{
// 크리티컬 섹션을 위한 매개체
private static readonly object _lock = new object();
private const int Count = 500000;
private static int number = 0;
private static void ThreadBody1()
{
for (int i = 0; i < Count; i++)
{
Monitor.Enter(_lock); // Enter Critical Section
number++;
Monitor.Exit(_lock); // Exit Critical Section
}
}
private static void ThreadBody2()
{
for (int i = 0; i < Count; i++)
{
Monitor.Enter(_lock);
number--;
Monitor.Exit(_lock);
}
}
static void Main(string[] args)
{
Task t1 = new Task(ThreadBody1);
Task t2 = new Task(ThreadBody2);
t1.Start();
t2.Start();
Task.WaitAll(t1, t2);
Console.WriteLine(number);
}
}
크리티컬 섹션을 위한 매개체가 필요하다.
object 타입으로 _lock 객체를 만들어, 매개체로 이용한다.
_lock 객체는 특정 크리티컬 섹션에 대한 상태 공유를 위해 사용된다.
한 스레드에서 Monitor.Enter(_lock)을 통해 크리티컬 섹션에 진입하면,
다른 스레드에서 똑같이 Monitor.Enter(_lock)을 호출하는 경우
_lock에 대한 크리티컬 섹션이 해제될 때까지 대기하게 된다.(blocked)
Monitor.Exit(_lock)을 호출하여 크리티컬 섹션을 해제(또는 탈출)할 수 있다.
주의사항
크리티컬 섹션에서 예기치 못하게 빠져나가거나 예외가 발생하는 경우,
크리티컬 섹션을 종료하지 않고 나가버리게 되어 데드락(Deadlock)이 발생할 수 있다.
이런 위험성이 존재하는 코드에서는
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try
{
Monitor.Enter(_lock);
// Critical Section Codes..
if(some_condition)
return;
}
finally
{
Monitor.Exit(_lock);
}
이렇게 작성하여 반드시 Monitor.Exit(_lock)이 호출되도록 해줄 수 있다.
try 구문 내에서 return;으로 빠져나오는 경우에도
finally구문을 반드시 실행하게 된다.
lock 구문
위처럼 크리티컬 섹션을 안전하게 작성하기 위해
try-finally, Monitor.Enter(), Monitor.Exit()을 사용하는 것은
가독성에도 좋지 않고, 여간 번거로운 일이 아닐 수 없다.
따라서 C#에서는 간단히 크리티컬 섹션을 만들어주는 lock 구문이 존재한다.
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lock(_lock)
{
// Critical Section Codes..
}
사용법은 이렇게 매우 간단하다.
매개체 _lock을 이용해 위처럼 구문을 작성하면,
내부적으로 Monitor를 이용해 크리티컬 섹션을 만들어준다.
Deadlock
대표적인 데드락 예시
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class Program
{
private const int Count = 10000;
private static readonly object _lock1 = new object();
private static readonly object _lock2 = new object();
private static void ThreadBody1()
{
for (int i = 0; i < Count; i++)
{
lock (_lock1)
{
Call2();
}
}
}
private static void ThreadBody2()
{
for (int i = 0; i < Count; i++)
{
lock (_lock2)
{
Call1();
}
}
}
private static void Call1()
{
Console.WriteLine("Call 1 - Begin");
lock (_lock1)
{
Console.WriteLine("Call 1 - Busy");
}
Console.WriteLine("Call 1 - End");
}
private static void Call2()
{
Console.WriteLine("Call 2 - Begin");
lock (_lock2)
{
Console.WriteLine("Call 2 - Busy");
}
Console.WriteLine("Call 2 - End");
}
static void Main(string[] args)
{
Task t1 = new Task(ThreadBody1);
Task t2 = new Task(ThreadBody2);
t1.Start();
Thread.Sleep(10);
t2.Start();
Task.WaitAll(t1, t2);
Console.WriteLine("Main Thread End");
}
}
t1은 먼저 _lock1에 락을 걸고 Call2()를 호출하여, 이번에는 _lock2에 락을 걸고 작업을 수행한다.
t2도 같은 방식으로 먼저 _lock1, 그다음 _lock2에 락을 걸게 된다.
t1_lock1 -> t1_lock2 -> t1_busy -> t2_ … 또는
t2_lock2 -> t2_lock1 -> t2_busy -> t1_ …
이런 순서로 진행이 된다면 아무런 문제가 없다.
하지만 언젠가
t1_lock1 -> t2_lock2 또는
t2_lock2 -> t1_lock1 까지 진행된 상황에서
동시에
t1은 lock1을 건 상태에서 lock2를 요구하고,
t2은 lock2을 건 상태에서 lock1를 요구하는 상황이 온다면
결과적으로 두 스레드 중 아무도 크리티컬 섹션이 진입하지 못하게 된다.
이것이 대표적인 데드락 현상이다.
위의 프로그램을 실행해보면
처음에는 순차적으로 잘 실행되다가
어느 순간 교착 상태에 빠지게 됨을 알 수 있다.
데드락의 해결
해결 방안?
Monitor.TryEnter()
Monitor.TryEnter() 메소드는 일정 시간동안 락을 얻지 못하면 false를 리턴한다.
이론상으로는 그럴듯하지만, 이렇게 false를 리턴받는 상황이 온다는 것 자체가
락 구조에 문제가 있다는 의미가 되므로
추천하지 않는 방법이다.
그렇다면 어떻게 해결하나?
데드락은 사실 완벽한 해결법이 없다?
그렇다고 한다.
대신 데드락의 특징을 통해 대응 방안을 세워볼 수는 있다.
데드락의 발생 조건
- Mutual Exclusion(상호 배제)
- 여러 프로세스 또는 스레드가 공유 자원에 동시에 접근할 수 없다.
- Hold and Wait(점유 및 대기)
- 자원을 가지고 있는 상태(Enter lock1)에서 다른 자원(lock2)을 요청하며 기다린다.
- No Preemption(탈취 불가)
- 다른 스레드가 가진 자원을 강제로 뺏어올 수 없다.
- Circular Wait(순환 대기)
- A는 B의 종료를 기다린다. 그리고 B는 C를, C는 A를… 서로 기다린다.
- 결국, 자신 작업 수행을 위해서는 자신 작업을 종료해야 하는 역설이 발생한다.
데드락 해결 대책
- 예방(Prevention)
- 데드락 발생 조건 4가지 중 하나라도 발생하지 않도록 원천 방지한다.
- 회피(Avoidance)
- 데드락의 가능성을 배제하지 않고, 알고리즘을 통해 해결한다.
- ex. 은행원 알고리즘
- 탐지(Detection) 및 복구(Recovery)
- 데드락을 허용하고, 발생 시 원인을 찾아 해결한다.
- ex. 자원 할당 그래프 알고리즘
- 무시(Ignorance)
- 애초에 데드락이 발생해도 상관 없도록 구현하고, 데드락이 발생하면 무시한다.
데드락 방지 원칙
- 크리티컬 섹션에서 또다른 크리티컬 섹션으로의 진입을 최대한 피한다.
- 가능하면 동일한 락 매개체를 사용한다.
정리
- 여러 스레드가 공유 데이터에 접근할 때는
lock구문을 이용한다. - 데드락은 해결하기 쉽지 않지만 매우 치명적이고 중요한 문제이다.
- 데드락이 발생하지 않도록 최대한 회피하거나, 데드락 발생 후 이를 수정한다.