스레드 안전(Thread-safety)이란?
최근 python의 GIL(Global Interpreter Lock)을 정확히 설명하지 못해서 공부하던 중, 들어는 봤으나 역시 정확한 내용은 몰랐던 스레드 안전(Thread-safety)에 대해 글을 써보려고 한다. 운영체제 수업 때 들어본 기억이 있는 것 같은데, 수업을 날로 들었는지 기억이 나지 않는다…
위키 정의
스레드 안전은 멀티 스레드 프로그래밍에서 일반적으로 어떤 함수나 변수, 혹은 객체가 여러 스레드로부터 동시에 접근이 이루어져도 프로그램의 실행에 문제가 없음을 뜻한다. 보다 엄밀하게는 하나의 함수가 한 스레드로부터 호출되어 실행 중일 때, 다른 스레드가 그 함수를 호출하여 동시에 함께 실행되더라도 각 스레드에서의 함수의 수행 결과가 올바로 나오는 것으로 정의한다.
위키 정의만 봐서는 대충 어떤 뜻인지 파악하는데도 몇 번을 읽어본 것 같다. 간단한 코드를 통해 알아보겠다.
a = 3
b = 2
print(a + b)
여러 스레드가 위의 코드를 동시에 실행하더라도 각 스레드에서 출력되는 값이 5로 동일하다면 thread-safety 하다고 할 수 있다고 이해했다.
위와 같이 간단한 연산의 경우, 여러 스레드가 동시에 처리하더라도 thread-safety 하게 처리될 수 있다. (뒷단에서 실제로 thread-safety한지는 정확히 몰라도 말이다…) 하지만 코드가 조금 복잡해지면 어떨까?
d[key] += value
d[key] = d[key] + value
d[key] = d[key2]
위의 코드는 thread-safety하지 않다. 딕셔너리의 조회와 대입 사이에 스레드 전환이 일어날 수 있기 때문이다.
그렇다면 위와 같은 경우에서 thread-safety를 구현할 수 있는 방법에는 어떤 것들이 있을까? 위키를 보면 다음과 같은 기법들을 통해 thread-safety를 보장할 수 있다고 한다.
- Re-entrancy
- 어떤 함수가 한 스레드에 의해 호출되어 실행 중일 때, 다른 스레드가 그 함수를 호출하더라도 그 결과가 각각에게 올바로 주어져야 한다.
- 설명하기가 좀 어려운데, 결국 스레드끼리 독립적일 수 있게 코드를 조심히 잘 짜라는 것 같다…
- Thread-local storage
- 공유 자원의 사용을 최대한 줄여 각각의 스레드에서만 접근 가능한 저장소들을 사용함으로써 동시 접근을 막는다.
- 멀티 스레드 환경에서 글로벌 변수 등의 사용을 지양하라는 것으로 이해하면 될 듯하다.
- Mutual exclusion
- 공유 자원을 꼭 사용해야 할 경우 해당 자원의 접근을 세마포어 등의 락으로 통제한다.
- 동기화 객체. python의 threading.Lock, java의 synchronized 등
- Atomic operations
- 공유 자원에 접근할 때 원자 연산을 이용하거나 ‘원자적’으로 정의된 접근 방법을 사용함으로써 상호 배제를 구현할 수 있다.
- 쉽게 설명하자면 “+=” 연산의 경우, 한 줄의 코드더라도 ‘+’ 연산 후에 ‘=’ 연산을 하기 때문에 원자적이라고 하기 어렵다. (실제 virtual instruction 수준에서 보더라도 원자적이라고 보기 어렵다.)
thread-safety가 자명한 경우를 제외하고는 동기화 객체(Mutual exclusion)를 사용하는 것을 추천한다. 아무래도 느려질 가능성이 생기긴 하겠지만, 실 상황에서 나머지 3가지를 자명한 수준으로 고려하거나 적용하는 것이 쉽지 않기 때문이다. 그렇다면 실 상황에서 mutual exclusion을 사용하는 예는 무엇이 있을까? 바로 GIL다.
wiki.python에서는 GIL 필요한 주요 이유가 CPython의 메모리 관리가 thread-safe하지 않기 때문이라고 설명하고 있다.(This lock is necessary mainly because CPython’s memory management is not thread-safe.)
thread-safety로 시작해서 GIL로 끝나버려서 글이 이상해진 느낌인데, 정리하자면 thread-safety란 여러 스레드가 동일한 작업을 수행할 때 서로 오염시키지 않고 각각이 원하는 결과를 출력해내는 것을 뜻하며 이를 보장하기 위해서는 thread-safety가 자명한 경우를 제외하고는 동기화 객체를 쓰는 것이 좋다.
공부를 위해 작성한 글입니다. 틀린 내용이 있다면 적극적으로 말씀해주시면 정말 감사하겠습니다.