[C#] 원자성
이 글은 Rookiss님의 [C#과 유니티로 만드는 MMORPG 게임 개발 시리즈] Part4: 게임 서버를 보고 헷갈리는 부분 위주로 정리한 글입니다. 틀리거나 부족한 부분이 있을 수 있습니다.
원자성이란
원자성이란 더 이상 쪼개 질수 없는, 프로그래밍에서는 즉, 작업의 최소 단위를 의미한다.
만약 어떠한 작업이 원자성을 보장한다면, 이 작업은 하나의 단위로 처리된다.
먼저 멀티 쓰레드 환경에서 원자성이 보장되지 않아 문제가 발생하는 경우를 보자.
원자성 경합 조건 문제
다음의 코드는 두 쓰레드가 같은 공유 변수 number에 접근하며 각각 1000000번 더하거나 뺀다.
문제가 없이 정상적으로 작동한다면 마지막 출력의 결과는 0이 되어야 한다.
internal class Program
{
static int number = 0;
static void Thread_1()
{
for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
number++;
}
}
static void Thread_2()
{
for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
number--;
}
}
static void Main(string[] args)
{
Task t1 = new Task(Thread_1);
Task t2 = new Task(Thread_2);
t1.Start();
t2.Start();
Task.WaitAll(t1,t2);
Console.WriteLine(number);
}
}
하지만 결과는 다음과 같이 예상과 다른 값이 나온다.
이러한 문제가 발생하는 이유는 ++연산과 –연산의 원자성이 보장되지 않았기 때문이다.
++과 –연산은 단순히 보기에는 그저 더하기 뺴기로 이루어진 최소 단위의 작업으로 보일 수 있으나, 사실은 다음과 같은 과정은 거친다.
- number값을 기존 값을 가져옴
- 1을 더하거나 뺸다
- 결과를 다시 number에 저장한다.
이러한 3단계의 과정을 거치는데 문제는 멀티 쓰레드 환경에서는 저 작업이 끝나기 전에 다른 스레드에서 number에 접근하여 다른 작업을 수행하는 경우가 발생한다.
위 코드에서 예시를 본다면 ++ 작업이 완료되기 전에 –작업이 시작된다면 ++작업은 의미가 없는 작업이 된다. 그렇기 대문에 코드의 결과값이 0이 아닌 엉뚱한 값이 나오게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해 원자성을 보장하는 기능이 필요하다.
Interlocked
Interlocked라는 클래스를 이용하면 ++, –연산을 원자성을 보장하여 처리한다.
만약 두 쓰레드에서 동시에 작업을 수행한다 하여도, 결국 두 작업 중 먼저 처리되는 작업이 있을 것이고, 원자성이 보장되는 작업이기에
해당 작업은 하나의 작업으로 처리되어 이 작업이 끝나야만 다른 나머지 작업도 시작될 수 있다.
internal class Program
{
static int number = 0;
static void Thread_1()
{
for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
// ++의 원자성을 보장하는 함수
Interlocked.Increment(ref number);
}
}
static void Thread_2()
{
for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
// --의 원자성을 보장하는 함수
Interlocked.Decrement(ref number);
}
}
static void Main(string[] args)
{
Task t1 = new Task(Thread_1);
Task t2 = new Task(Thread_2);
t1.Start();
t2.Start();
Task.WaitAll(t1,t2);
Console.WriteLine(number);
}
}
Monitor 클래스 이용하기
Interlocked클래스는 ++이나 –같은 미리 정해진 작업을 원자성을 보장한다면, Monitor클래스는 내가 직접 원자성을 보장할 영역을 지정한다.
Monitor.Enter(object)로 영역의 시작을 알리고 Monitor.Exit(object)로 영역의 끝을 알린다.
여기서 인자로 넣는 object는 쉽게 말해서 자물쇠이다. 동일한 오브젝트에 대해 lock을 걸면, 해당 오브젝트를 사용하는 다른 스레드는 락이 해제될 때까지 대기하게 된다.
예제는 다음과 같다.
internal class Program
{
static int number = 0;
static object _obj = new object();
static void Thread_1()
{
for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
Monitor.Enter(_obj);
number++;
Monitor.Exit(_obj);
}
}
static void Thread_2()
{
for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
Monitor.Enter(_obj);
number--;
Monitor.Exit(_obj);
}
}
static void Main(string[] args)
{
Task t1 = new Task(Thread_1);
Task t2 = new Task(Thread_2);
t1.Start();
t2.Start();
Task.WaitAll(t1,t2);
Console.WriteLine(number);
}
}
주의해야할 점은 Enter다음에 Exit를 하지 않는 경우인데, Exit를 하지 않는다면 다른 작업들은 무한정 Enter함수에서 기다리게 되어 DeadLock 현상이 발생한다.
internal class Program
{
static int number = 0;
static object _obj = new object();
static void Thread_1()
{
for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
Monitor.Enter(_obj);
number++;
// 데드락이 발생하는 조건문
if (number > 500)
return;
Monitor.Exit(_obj);
}
}
static void Thread_2()
{
for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
// 데드락이 걸려서 무한정 기다리게 됨
Monitor.Enter(_obj);
number--;
Monitor.Exit(_obj);
}
}
static void Main(string[] args)
{
Task t1 = new Task(Thread_1);
Task t2 = new Task(Thread_2);
t1.Start();
t2.Start();
Task.WaitAll(t1,t2);
Console.WriteLine(number);
}
}
이러한 문제는 Try Finally을 사용하여 예방할 수 있다.
static void Thread_1()
{
for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
Monitor.Enter(_obj);
try
{
number++;
if (number > 500)
return;
}
finally
{
Monitor.Exit(_obj);
}
}
}
static void Thread_2()
{
for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
Monitor.Enter(_obj);
try
{
number--;
return;
}
finally
{
Monitor.Exit(_obj);
}
}
}
lock
Monitor클래스의 try Finally이 지저분하게 보인다면 lock키워드로 간단하게 구현할 수 있다.
이런 식으로 코드를 작성하면 원자성을 보장하며 데드락을 방지할 수 있다.
internal class Program
{
static int number = 0;
static object _obj = new object();
static void Thread_1()
{
for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
// 데드락 방지
lock (_obj)
{
number++;
if (number > 500)
return;
}
}
}
static void Thread_2()
{
for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
lock (_obj)
{
number--;
}
}
}
static void Main(string[] args)
{
Task t1 = new Task(Thread_1);
Task t2 = new Task(Thread_2);
t1.Start();
t2.Start();
Task.WaitAll(t1,t2);
Console.WriteLine(number);
}
}
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