원자적 작업(Atomic Operation): 동시성 문제 해결의 핵심 개념

원자적 작업(Atomic Operation)란?

**원자적 작업(Atomic Operation)**은 더 이상 나눌 수 없는 단일 작업 단위를 의미합니다. 즉, 어떤 작업이 원자적이라고 할 때, 이는 해당 작업이 중단되거나 다른 작업과 간섭받지 않고 한 번에 완전히 실행된다는 것을 뜻합니다.

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원자적 작업의 특성

1. 불가분성 (Indivisibility):
   • 작업이 시작되면 완료될 때까지 외부의 개입 없이 수행됩니다.
   • 작업이 중간에 중단될 가능성이 없으며, 다른 스레드가 해당 작업에 간섭할 수 없습니다.
2. 중단 방지 (Interrupt-Proof):
   • 다른 스레드가 해당 변수나 자원에 접근하려 하더라도 작업이 완료된 이후에만 접근이 가능합니다.
3. 일관성 (Consistency):
   • 원자적 작업은 일관된 상태를 보장합니다. 작업이 성공하면 그 결과가 완전히 반영되고, 실패하면 아무런 변화도 없습니다.

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원자적 작업의 예

비원자적 작업의 문제

아래는 원자적이지 않은 작업의 예입니다.

int counter = 0;

void Increment()
{
    counter++;
}

이 작업은 사실 세 가지 단계로 나뉘어집니다:

1. counter의 현재 값을 읽음.
2. 읽은 값에 1을 더함.
3. 결과를 counter에 씀.

이 세 단계 중 다른 스레드가 동일한 변수(counter)를 읽거나 수정하면 경합 조건이 발생할 수 있습니다.

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원자적 작업의 구현

위 작업을 Interlocked를 사용하여 원자적으로 처리하면, 하나의 단일 작업으로 처리됩니다.

void Increment()
{
    Interlocked.Increment(ref counter);
}

Interlocked.Increment(ref counter)는 내부적으로 하드웨어 명령어를 사용하여 값을 한 번에 증가시킵니다. 이 작업은 다음을 보장합니다:

• 값의 읽기, 수정, 쓰기 과정이 단일 작업으로 묶임.
• 작업이 중단되거나 간섭받지 않음.

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원자적 작업의 예시와 활용

1. 증가와 감소:
   • 간단한 카운터에서 주로 사용됩니다.

   int counter = 0;
   
   // 원자적으로 증가
   Interlocked.Increment(ref counter);
   
   // 원자적으로 감소
   Interlocked.Decrement(ref counter);
   

2. 값 교환:
   • 특정 변수의 값을 새로운 값으로 변경하면서, 이전 값을 반환합니다.

   int value = 42;
   
   // value를 100으로 변경하고 이전 값을 oldValue에 저장
   int oldValue = Interlocked.Exchange(ref value, 100);
   
   Console.WriteLine($"Old Value: {oldValue}, New Value: {value}");
   

3. 조건부 값 변경:
   • 변수의 값이 특정 값(comparand)일 때만 새로운 값으로 설정합니다.

   int currentValue = 10;
   int newValue = 20;
   
   // currentValue가 10이면 20으로 변경
   int originalValue = Interlocked.CompareExchange(ref currentValue, newValue, 10);
   
   Console.WriteLine($"Original Value: {originalValue}, Current Value: {currentValue}");
   

4. 값 더하기:
   • 특정 값을 기존 값에 더합니다.

   int total = 0;
   
   // total에 5를 원자적으로 더함
   Interlocked.Add(ref total, 5);
   
   Console.WriteLine($"Total: {total}");
   

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원자적 작업의 실제 사용 사례

1. 스레드 안전한 카운터:
   • 다중 스레드 환경에서 동기화를 사용하지 않고 값을 안전하게 증감합니다.

   int counter = 0;
   
   void IncrementCounter()
   {
       Interlocked.Increment(ref counter);
   }
   

2. 플래그 설정 및 교환:
   • 스레드 간의 플래그를 설정하거나 교환할 때 사용됩니다.

   int isProcessing = 0;
   
   void StartProcessing()
   {
       if (Interlocked.Exchange(ref isProcessing, 1) == 0)
       {
           Console.WriteLine("Processing started.");
       }
   }
   

3. 락 없이 공유 상태 관리:
   • 락을 사용하지 않고 간단한 공유 상태를 관리할 때 사용합니다.

   int sharedValue = 0;
   
   void UpdateSharedValue()
   {
       Interlocked.Add(ref sharedValue, 10);
   }
   

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원자적 작업이 중요한 이유

• 다중 스레드 환경에서 작업이 중단 없이 실행되므로 경합 조건을 방지할 수 있습니다.
• lock 또는 Monitor와 비교하여 성능이 더 우수하며, 간단한 값 조작에는 적합합니다.
• 프로세스나 스레드 간의 일관된 상태를 보장합니다.

한계점:

• 단일 변수에 대한 작업만 원자적으로 보장되며, 여러 변수나 복잡한 작업에는 적합하지 않습니다. 이 경우에는 lock 또는 Monitor 같은 동기화 메커니즘을 사용해야 합니다.

원자적 작업은 경량 동기화를 제공하는 강력한 도구로, 다중 스레드 프로그래밍에서 효율적이고 안전한 방법으로 사용됩니다.