메모리 영역과 스레드

스레드와 메모리 영역은 다중 스레드 프로그램의 성능과 안정성에 큰 영향을 미친다. 이를 이해하기 위해, 각각의 메모리 영역과 스레드의 관계를 살펴본다.

1. 스레드와 메모리 개요

• 스레드는 프로세스 내에서 실행되는 독립적인 실행 흐름이다. 하나의 프로세스에는 여러 개의 스레드가 있을 수 있으며, 각 스레드는 자신만의 실행 스택을 가지고 있지만 프로세스의 메모리 공간(코드, 힙, 데이터 등)을 공유한다.
• 프로세스는 운영 체제에 의해 실행 중인 프로그램의 인스턴스로, 메모리와 리소스를 할당받는다.

2. 메모리 영역

프로세스의 메모리 영역은 일반적으로 다음과 같이 구분된다:

• 코드 영역 (Text Segment):
  • 프로그램의 실행 코드가 저장되는 영역이다.
  • 읽기 전용이며, 모든 스레드가 공유한다.
• 데이터 영역 (Data Segment):
  • 전역 변수와 정적 변수가 저장되는 영역이다.
  • 초기화된 데이터는 초기화된 데이터 영역에, 초기화되지 않은 전역 변수는 BSS(Block Started by Symbol) 영역에 위치한다.
  • 프로세스의 모든 스레드가 공유한다.
• 힙 영역 (Heap):
  • 동적 메모리 할당을 위해 사용되는 메모리 영역이다.
  • malloc, new 같은 동적 메모리 할당 함수에 의해 관리된다.
  • 모든 스레드가 접근 가능하며, 동시성 문제를 방지하기 위해 적절한 동기화가 필요하다.
• 스택 영역 (Stack):
  • 각 스레드가 고유하게 가지는 메모리 영역으로, 함수 호출 시 지역 변수와 함수의 반환 주소 등을 저장한다.
  • 각 스레드의 스택은 독립적이므로, 다른 스레드가 스택에 저장된 데이터를 직접 접근할 수 없다.
  • 스택 메모리는 자동으로 할당 및 해제된다.

3. 스레드의 메모리 접근

• 공유 메모리:
  • 코드, 데이터, 힙 영역은 프로세스 내 모든 스레드가 공유한다. 이로 인해 다중 스레드가 동일한 메모리 영역을 동시에 읽거나 쓰려 할 때 충돌(경쟁 상태)이 발생할 수 있다.
  • 이러한 동시성 문제를 해결하기 위해 lock, mutex, semaphore, Interlocked 클래스 등 동기화 메커니즘을 사용한다.
• 스레드 로컬 메모리:
  • 스택은 각 스레드마다 독립적이다. 스레드가 함수 호출 시 생성하는 지역 변수나 함수 호출 스택 프레임은 다른 스레드와 공유되지 않는다.
  • 스레드 로컬 변수는 안전하게 사용할 수 있지만, 공유 데이터가 필요할 때는 적절한 동기화가 필요하다.

4. 메모리 동기화와 문제점

• 경쟁 상태 (Race Condition):
  • 두 개 이상의 스레드가 동일한 메모리 공간에 접근할 때 발생한다. 적절한 동기화 없이 변수 값을 읽고 수정하면 예기치 않은 결과가 나올 수 있다.
• 데드락 (Deadlock):
  • 두 개 이상의 스레드가 서로 자원을 기다리며 무한 대기 상태에 빠지는 현상이다.
• 메모리 가시성:
  • 하나의 스레드가 수정한 데이터가 다른 스레드에서 즉시 보이지 않을 수 있다. 이를 해결하기 위해 volatile 키워드나 메모리 장벽(memory barrier)을 사용한다.

5. 동기화 메커니즘

• Mutex (Mutual Exclusion):
  • 특정 코드 블록에 대한 단일 스레드 접근을 보장하기 위해 사용된다.
• Semaphore:
  • 특정 개수의 스레드가 한정된 자원에 접근하도록 제어한다.
• Interlocked 클래스:
  • 원자적 연산을 수행하는 데 사용되며, 다중 스레드 환경에서 값의 증가/감소 또는 교환 같은 연산을 안전하게 수행할 수 있다.
• Lock (Monitor):
  • 특정 객체에 대해 잠금을 걸어 코드의 일부에 단일 스레드만 접근할 수 있도록 보장한다.

이러한 메모리 영역과 동기화 기법은 다중 스레드 프로그래밍에서 데이터의 일관성과 안전성을 보장하는 데 필수적이다.