C++ 멀티스레드에서 스레드 안전성과 데이터 레이스 방지
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C++에서 안정적인 멀티 스레드 코드를 위한 스레드 안전성 개념 정리

카테고리

프로그래밍/소프트웨어 개발

서브카테고리

개발 툴

대상자

C++ 멀티 스레드 개발자

핵심 요약

  • 데이터 레이스두 개 이상의 스레드가 동일한 메모리 위치에 동시 쓰기 연산을 수행하면서 atomic 연산이 아닐 때 발생하며 미정의 행동을 유발합니다.
  • 스레드 안전성연산 간 선후 관계(happens-before)를 통해 데이터 레이스를 방지하는 원칙입니다.
  • std::atomicmutex 등 동기화 도구를 통해 동기화 관계(synchronizes-with)를 형성해야 멀티 스레드 환경에서 안전한 실행 순서를 보장할 수 있습니다.

섹션별 세부 요약

1. 멀티 스레드 환경에서의 데이터 레이스 이해

  • 데이터 레이스동일한 메모리 위치에 두 스레드 이상이 동시에 접근하면서 적어도 하나가 쓰기 연산을 수행하고 atomic 연산이 아닐 때 발생합니다.
  • 데이터 레이스는 미정의 행동으로 간주되며, 예측 불가능한 결과를 초래할 수 있습니다.
  • C++ 메모리 모델에서는 동시 접근happens-before 관계가 정의되지 않은 경우에만 데이터 레이스로 간주됩니다.

2. 순차 실행 관계와 선후 관계

  • 같은 스레드 내의 연산 간 순차 실행 관계happens-before 관계를 형성하는 기초가 됩니다.
  • 스레드 간 동기화 관계atomic 연산이나 mutex를 통해 형성되며, 이를 통해 스레드 간 선후 관계가 확장됩니다.
  • atomic-store-releaseatomic-load-acquire를 통해 동기화 관계가 형성되며, 이는 스레드 간 선후 관계를 확보합니다.

3. 기본 스레드 안전성 조건

  • 데이터 레이스가 발생하지 않도록 하기 위해 다음 조건을 만족해야 합니다:
  • 같은 변수에 대한 읽기와 읽기
  • 다른 변수에 대한 쓰기와 읽기
  • 다른 변수에 대한 쓰기와 쓰기
  • 사용자 정의 타입에서도 이 조건을 충족해야 기본 스레드 안전성을 보장할 수 있습니다.

4. 표준 라이브러리 타입의 스레드 안전성

  • std::vector, std::optional, std::shared_ptr표준 라이브러리 타입기본 스레드 안전성을 보장합니다.
  • std::mapT가 기본 스레드 안전성을 만족해야 전체 컨테이너가 안전합니다.
  • std::shared_ptr다른 shared_ptr 객체와는 동시 사용 가능하지만, 동일한 shared_ptr 객체에 non-const 멤버 함수를 동시에 사용하면 데이터 레이스가 발생합니다.

5. 사용자 정의 타입에서의 스레드 안전성 구현

  • const 멤버 함수를 통해 읽기가 발생하는 경우에도 데이터 레이스가 발생할 수 있으므로, 외부 동기화가 필요합니다.
  • shared_ptr을 멤버로 사용하는 경우에도 내부 자원이 공유되는 경우에 데이터 레이스가 발생할 수 있으므로 강한 수준의 스레드 안전성이 필요합니다.
  • 타입 설계 시 기본 스레드 안전성을 보장하는 것이 상위 레벨 코드의 스레드 안전성 추론에 유리합니다.

결론

  • 스레드 안전성을 확보하려면, 데이터 레이스를 방지하고 스레드 간 선후 관계를 정확히 정의해야 합니다.
  • std::atomic, mutex, shared_ptr 등의 도구를 활용해 동기화 관계를 형성하고, 사용자 정의 타입에도 기본 스레드 안전성 조건을 충족해야 합니다.
  • 표준 라이브러리 타입은 기본 스레드 안전성을 보장하므로, 개발자로서는 이를 이해하고 적절히 활용하는 것이 중요합니다.