[C#] 스레드의 크리티컬 섹션(Critical Section)

public static void IncrementCounter()
{
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        counter++; 
    }
}

위 메서드는 counter이라는 변수를 100,000번 반복해서 1씩 올리는 작업을 한다.
만약 이 counter 변수를 같이 증가시키는 스레드가 같이 시작되었다고 해보자.

Thread t1 = new Thread(IncrementCounter);
Thread t2 = new Thread(IncrementCounter);

t1.Start();
t2.Start();

t1.Join();
t2.Join();

t1 스레드도 100,000, t2 스레드도 100,000을 올려서 count는 200,000이 되어야할 것 같지만, 실제로 실행시켜보면 매번 다르게 나오는 것을 볼 수 있다.

왜 이런 일이 일어날까?

여러 스레드가 동시에 counter를 동시에 증가시키려고 시도하기 때문에 경쟁 상태(Race condition)가 발생하게 된다. 예를 들어 현재 counter 값이 10이라면,

1. t1과 t2가 현재 counter 값을 10으로 읽는다.
2. t1이 counter 값을 11로 증가시키고 저장한다.
3. t2도 counter 값을 10으로 알고있기 때문에 11을 다시 저장한다.

이렇게 여러 스레드가 동시에 공유 변수에 접근하고 수정하려고 할 때, 경쟁 상태로 인해 데이터 일관성이 깨질 수 있다. 이를 막기 위해 크리티컬 섹션을 만들어 사용한다.

 

 

 

 

크리티컬 섹션(Critical Section)

 

멀티 스레드 환경에서 공유 자원에 동시에 접근하는 것을 제어하고 동기화하는 데 사용되는 코드 영역을 크리티컬 섹션이라고 한다. 즉, 한 번에 한 스레드만 사용할 수 있는 영역이다.

lock 키워드

크리티컬 섹션은 lock 키워드를 사용해서 간단하게 구현할 수 있다.
위의 예시에서 lock을 하면 이렇게 된다.

private static object lockObject = new object();

for (int i = 0; i < 100000; i++) {
    lock (lockObject) 
    {
        counter++; 
    }
}

이 때, lock은 꼭 참조형 데이터 타입으로 선언해줘야한다. object, string 둘 다 된다.

이제 lock 키워드로 둘러쌓인 counter 변수가 증가하는 부분은 크리티컬 섹션이 된다. 이 부분은 이제 하나의 스레드가 실행될 동안 다른 스레드가 개입하지 못한다.

결과 또한 200,000이 잘나오는 것을 확인할 수 있다.

 

Monitor 클래스

Monitor 클래스는 lock과 동일한 역할을 하는 Monitor.Enter()과 Monitor.Exit()이 있다. (사실 lock이 이 메서드 두 가지로 이루어져 있다)

public static void IncrementCounter()
{
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        Monitor.Enter(lockObject);
        counter++;
        Monitor.Exit(lockObject);
    }
}

Monitor 클래스에는 Monitor.Wait()과 Monitor.Pulse() 메서드도 있다. 이 두 메서드는 말 그대로 스레드를 대기/실행 대기상태로 하는 메서드이다. 

public static void Sender()
{
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        lock (lockObject) {
            Console.WriteLine("Sender is typing a message...");
            Thread.Sleep(1000);

            message = "Message " + (i + 1);
            Console.WriteLine("Sender sent: " + message);
            Thread.Sleep(500);

            Console.WriteLine("Pulsing Receiver...");
            Monitor.Pulse(lockObject); Thread.Sleep(500);

            Console.WriteLine("Sender is waiting Receiver to receive the message...");
            Monitor.Wait(lockObject); Thread.Sleep(500);
        }
    }
}

public static void Receiver()
{
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        lock (lockObject) {
            Console.WriteLine("Receiver is waiting for a message...");
            Monitor.Wait(lockObject); Thread.Sleep(500);

            Console.WriteLine("Receiver received: " + message);
            Thread.Sleep(500);

            Console.WriteLine("Pulsing Sender...");
            Monitor.Pulse(lockObject); Thread.Sleep(500);
        }
    }
}

이 두 개를 스레드 두 개에 각각 실행시키면,

Receiver is waiting for a message...
Sender is typing a message...
Sender sent: Message 1
Pulsing Receiver...
Sender is waiting Receiver to receive the message...
Receiver received: Message 1
Pulsing Sender...
Receiver is waiting for a message...
Sender is typing a message...
Sender sent: Message 2
Pulsing Receiver...
Sender is waiting Receiver to receive the message...
Receiver received: Message 2
Pulsing Sender...
Receiver is waiting for a message...
Sender is typing a message...
Sender sent: Message 3
Pulsing Receiver...
Sender is waiting Receiver to receive the message...
Receiver received: Message 3
Pulsing Sender...

이렇게 wait 되면서 다른 스레드가 실행되는 것을 볼 수 있다.