신입 개발자 인터뷰 : 동기 비동기 블록 논블록 꼬꼬무 🏮

🐱 동기 비동기 블로킹 논블로킹이 무엇인가요?

동기/비동기 = 호출당한 함수의 종료를 누가 처리하느냐
블로킹/넌블로킹 = 제어권이 누구에게 돌아가느냐

• 동기 (Synchronous) 는 작업의 순차적인 진행을 의미합니다.
  • 예: 데이터베이스 시스템에서 트랜잭션이 순차적으로 실행됩니다. 한 트랜잭션이 완료되기 전까지 다음 트랜잭션은 시작되지 않습니다. 이는 데이터의 일관성과 무결성을 유지하는 데 중요합니다.
  • 탄생 배경: 초기 컴퓨팅 시스템에서는 작업들이 순차적으로 실행되었습니다. 한 작업이 완료되어야 다음 작업이 시작될 수 있었으며, 이러한 동기적 처리는 프로그래밍을 단순하고 직관적으로 만들었습니다.

• 비동기 (Asynchronous) 는 작업의 완료에 대한 콜백이나 이벤트같은 알림을 기반으로 합니다. 즉, 작업이 완료되면 결과에 대한 알림을 받습니다.
  • 예: 웹서버가 클라이언트의 HTTP 요청을 처리할 때 클라이언트는 요청을 보내고 응답을 기다리는 동안 다른 작업을 계속할 수 있으며, 서버는 요청을 백그라운드에서 처리한 후 결과를 반환합니다.
  • 탄생 배경: 동기적 처리의 한계, 특히 I/O 작업이나 네트워크 요청과 같은 긴 대기 시간이 필요한 작업에서 프로그램의 효율성을 높이기 위해 개발되었습니다. 비동기 처리는 이러한 대기 시간 동안 다른 작업을 수행할 수 있게 해서, 전체 시스템의 효율성을 높입니다.

• 블로킹은 작업을 수행하는 동안 다른 작업을 수행할 수 없는 상태를 의미합니다. 즉, 모든 동기적 작업은 블로킹일 필요는 없습니다. 또한 동기적이지만 넌블로킹인 작업의 경우, 다른 작업을 수행할 수 있습니다.
  • 예: 네트워크를 통한 데이터 송수신에서 블로킹 소켓을 사용할 경우, 데이터가 도착할 때까지 실행이 중단됩니다. 예를 들어, recv() 함수는 데이터를 받을 때까지 프로그램의 실행을 정지시키고 기다립니다.
  • 탄생 배경: 초기 컴퓨팅에서는 작업 실행 시 다른 작업이 동시에 실행되지 못하게 막는 것이 일반적이었는데요, 이 방식은 프로그램의 복잡성을 줄이고, 리소스에 대한 안정적인 접근을 보장합니다.

• 넌블로킹은 요청한 작업이 즉시 완료되지 않더라도 그 상태를 대기하지 않고 즉시 다른 작업으로 넘어가며, 나중에 작업의 완료 여부를 확인합니다.
  • 예: 주로 I/O 작업에서 빠른 응답성이 필요할 때. 예를 들어, 넌블로킹 소켓은 데이터를 읽거나 쓸 수 있는 상태가 될 때까지 대기하지 않고, 그 상태를 주기적으로 확인 polling 합니다.
  • 탄생 배경: 블로킹 방식의 단점, 특히 시스템 자원이나 작업 대기 시간으로 인한 효율성 저하를 해결하기 위해 개발되었습니다. 논블로킹 방식은 작업이 즉시 완료되지 않더라도 다른 작업으로 전환해서 CPU 시간을 효율적으로 사용할 수 있게 합니다.

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🐱 스핀락이 무엇인가요?

 

스핀락(Spinlock) 은 동기화 메커니즘의 한 종류로, 다른 스레드가 공유 자원에 접근하는 것을 막기 위해 사용됩니다. 스핀락은 일반적으로 동기 및 블로킹 메커니즘으로 분류됩니다. 이는 스핀락을 소유하고 있는 스레드가 자원을 사용하고 있을 때, 다른 스레드들이 계속해서 락을 획득하려고 시도하면서 대기 상태에 머무른다는 것을 의미합니다. 이 대기 과정에서 스레드들은 루프를 돌면서 락의 상태를 계속 확인하고, 이 때문에 CPU 시간을 소모합니다. 따라서 스핀락은 자원이 곧바로 사용 가능할 것으로 예상되는 짧은 대기 시간에 적합합니다.

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🐱 스핀락의 단점을 해결하는 방법은 무엇인가요?

 

이러한 단점을 해결하기 위한 다른 락 메커니즘으로는 뮤텍스와 세마포어가 있습니다. 뮤텍스와 세마포어는 서로 다른 시나리오에 적합한 동기화 도구입니다.

1. 뮤텍스(Mutex)
   • 뮤텍스 (mutex) 는 상호 배제 (mutual exclusive) 라고도 하며, 임계 영역 (Critical Section) 을 가진 스레드의 Running Time 이 서로 겹치지 않도록 각각 단독으로 실행하게 하는 기술입니다.  즉, 한 시점에 단 하나의 스레드만이 임계 영역에 접근할 수 있게 합니다. 락을 획득한 스레드만이 락을 해제할 수 있습니다. 이는 뮤텍스의 소유 개념과 관련이 있습니다.
     • 임계 영역은 멀티스레딩 환경에서 여러 스레드에 의해 공유되는 자원 (예: 변수, 데이터 구조, 파일 등) 에 접근하는 코드 영역입니다.
   • 뮤텍스는 스핀락과 달리 락을 얻을 수 없는 스레드를 대기 상태로 만듭니다. 이는 CPU 시간을 절약할 수 있게 해줍니다. 뮤텍스는 커널에 의해 관리되며, 락을 얻으려는 스레드가 대기 큐에 들어가게 됩니다.
   • 단점: 컨텍스트 스위칭 (context switch) 비용이 발생하며, 이는 상대적으로 비싼 작업입니다. 또한  뮤텍스도 데드락을 완전히 방지할 수는 없습니다. 뮤텍스를 사용하는 시스템에서도, 여러 뮤텍스를 동시에 사용할 때 잘못된 순서로 락을 획득하거나 해제하는 경우 데드락이 발생할 수 있습니다.
2. 세마포어(Semaphore):
   • 세마포어는 뮤텍스와 비슷하지만, 제한된 수의 동시 접근을 허용합니다. 세마포어는 카운터를 사용하여 특정 리소스를 몇 개의 스레드가 동시에 사용할 수 있는지를 관리합니다. 또한 세마포어에서는 락을 획득한 스레드가 아닌 다른 스레드가 락을 해제할 수 있습니다.
   • 세마포어는 특정한 수의 리소스에 대한 접근을 제어합니다. 이는 뮤텍스와 유사하지만, 뮤텍스보다 더 일반적인 동기화 메커니즘입니다.
   • 단점: 세마포어를 사용하는 것은 더 복잡할 수 있으며, 잘못 사용하면 데드락(deadlock) 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

락 보유 시간이 길거나 리소스 대기 시간이 불확실한 경우에는 스핀락보다, 뮤텍스나 세마포어가 더 적합할 수 있습니다.

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🐱 세마포어의 종류는 뭐가 있나요?

 

세마포어(Semaphore)는 크게 두 가지 유형으로,

이진 세마포어(Binary Semaphore)와 카운팅 세마포어(Counting Semaphore) 가 있습니다.

 

이진 세마포어 (Binary Semaphore)

• 개념: 이진 세마포어는 값이 `0` 또는 `1`만을 가질 수 있는 세마포어입니다. 이는 사실상 뮤텍스(Mutex)와 매우 유사합니다.
• 뮤텍스와의 차이: 이진 세마포어와 뮤텍스의 주요 차이점은 락의 소유권에 있습니다. 뮤텍스는 락을 획득한 동일한 스레드에 의해서만 해제될 수 있습니다. 반면, 이진 세마포어는 한 스레드가 획득하고 다른 스레드가 해제할 수 있습니다. 이러한 차이 때문에, 이진 세마포어는 뮤텍스보다 더 유연할 수 있지만, 잘못 사용될 경우 문제를 일으킬 수도 있습니다.

카운팅 세마포어 (Counting Semaphore)

• 개념: 카운팅 세마포어는 `0 이상의 정수 값`을 가질 수 있으며, 리소스의 수를 나타내는 데 사용됩니다. 예를 들어, 세마포어의 값이 `3`이라면, 세 개의 스레드가 동시에 해당 리소스에 접근할 수 있음을 의미합니다.
• 용도: 카운팅 세마포어는 제한된 수의 리소스에 대한 동시 접근을 제어하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 데이터베이스 연결 풀에서 최대 동시 연결 수를 관리하는 데 사용될 수 있습니다.

즉, 이진 세마포어는 뮤텍스와 매우 유사하지만, 세마포어의 소유권 및 해제 메커니즘이 다릅니다. 이진 세마포어 외에도, 카운팅 세마포어는 더 많은 수의 리소스 관리에 사용됩니다. 이러한 차이점은 세마포어를 선택할 때 고려해야 할 중요한 요소입니다.

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🐱 데드락이 무엇인가요?

 

특히 멀티스레딩 환경에서 발생하는 상황으로, 여러 프로세스나 스레드가 서로가 보유하고 있는 리소스를 기다리면서 무한히 대기하는 현상을 말합니다.

 

데드락이 발생하려면 일반적으로 다음과 같은 네 가지 조건이 모두 충족되어야 합니다.

1. 상호 배제(Mutual Exclusion): 리소스는 한 번에 하나의 프로세스만이 사용할 수 있습니다.
2. 점유 대기(Hold and Wait): 프로세스는 최소한 하나의 리소스를 보유하고 있으면서 동시에 다른 프로세스가 보유한 추가 리소스를 기다립니다.
3. 비선점(No Preemption): 리소스는 자발적으로만 해제될 수 있으며, 다른 프로세스에 의해 강제로 뺏길 수 없습니다.
4. 순환 대기(Circular Wait): 대기하는 프로세스들 사이에는 순환 형태의 대기 체인이 존재합니다. 즉, 각 프로세스는 다음 프로세스가 요구하는 리소스를 보유하고 있습니다.

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🐱 데드락을 해결하려면?

 

데드락을 해결하고 예방하는 방법으로 다섯 가지 정도를 설명드릴 수 있습니다.

 

첫 번째로, '자원 할당 순서'를 정하는 건데, 모든 프로세스가 자원을 같은 순서로 요청하게 하면 순환 대기를 피할 수 있습니다.

두 번째는 '자원을 한 번에 요청'하는 것입니다. 프로세스가 시작할 때 필요한 모든 자원을 한꺼번에 요청하면, 필요한 자원 중 일부만 갖고 대기하는 상황을 막을 수 있습니다.

세 번째 방법은 '사전에 자원을 할당하지 않는 것'입니다. 이 방법은 프로세스가 자원을 사용할 때만 요청하게 해서 불필요한 자원 보유를 줄이는 것입니다.

네 번째는 '자원 선점'인데, 다른 프로세스가 사용 중인 자원을 필요로 하는 프로세스가 있다면, 그 자원을 선점해서 사용할 수 있게 합니다. 이 방법은 데드락을 해결할 수는 있지만, 선점하는 과정에서 추가적인 복잡성과 오버헤드가 발생할 수 있습니다.

마지막으로, '데드락 탐지 및 회복'이 있습니다.  이 방법은 데드락이 이미 발생한 후에 적용되는 방법인데요, 여기서는 데드락이 발생했을 때 이를 탐지하고, 어떤 프로세스를 중단하거나 롤백시켜서 데드락을 해결하는 방법입니다.