[iOS] Thread Safety

**Thread Safety(스레드 안전성)**는 여러 스레드가 동시에 동일한 자원에 접근할 때 발생할 수 있는 문제를 방지하는 개념입니다. 특히 멀티스레딩 환경에서 여러 스레드가 동일한 데이터나 자원을 동시에 수정하거나 읽을 때, 의도하지 않은 결과나 애플리케이션 크래시를 방지하기 위해 자원에 대한 접근을 안전하게 관리하는 것이 중요합니다. iOS 앱을 포함한 대부분의 소프트웨어 시스템에서는 멀티스레딩을 통해 성능을 향상시키거나 비동기적으로 작업을 처리하지만, 이로 인해 발생할 수 있는 경쟁 조건(Race Condition), 데드락(Deadlock), 데이터 손상(Data Corruption) 등의 문제를 해결해야 합니다.

1. 멀티스레딩 환경과 Thread Safety

멀티스레딩 환경에서는 여러 스레드가 동시에 실행되므로, 스레드 간에 **자원 경쟁(Resource Contention)**이나 상태 변경이 일어날 수 있습니다. 예를 들어, 두 개의 스레드가 동일한 변수나 객체를 동시에 수정하려 할 때, 그 결과는 예측할 수 없게 됩니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 Thread Safe한 방법으로 자원을 관리해야 합니다.

1) 경쟁 조건 (Race Condition)

**경쟁 조건(Race Condition)**은 두 개 이상의 스레드가 동시에 같은 자원에 접근할 때, 그 실행 순서에 따라 결과가 달라지는 문제입니다. 이 문제는 대부분의 멀티스레딩 시스템에서 발생할 수 있으며, 자원에 대한 접근이 동기화되지 않으면 예기치 않은 오류나 데이터 손상이 발생할 수 있습니다.

예를 들어, 두 스레드가 동일한 변수 counter에 값을 더하려고 할 때, 스레드 A가 값을 읽고, 스레드 B도 값을 읽은 후 두 스레드가 동시에 값을 더하면, 최종 결과는 예상과 다르게 나올 수 있습니다. 이러한 문제를 경쟁 조건이라고 부르며, 이를 방지하려면 **동기화(synchronization)**를 통해 스레드 간에 자원 접근을 제어해야 합니다.

2) 데드락 (Deadlock)

**데드락(Deadlock)**은 두 개 이상의 스레드가 서로 다른 자원을 기다리며 무한히 대기하는 상태를 말합니다. 데드락이 발생하면, 해당 스레드들은 영원히 실행되지 않게 되어 애플리케이션이 멈추게 됩니다. 이는 멀티스레딩에서 자원 간의 종속성이 잘못 관리될 때 발생할 수 있습니다.

예를 들어, 스레드 A가 자원 X를 먼저 잠그고, 자원 Y를 잠그려 하는데, 스레드 B는 자원 Y를 먼저 잠그고 자원 X를 잠그려 할 때 데드락이 발생합니다. 이 경우 두 스레드는 서로 자원을 기다리며 멈추게 됩니다.

2. Thread Safety를 보장하는 방법

스레드 안전성을 보장하기 위한 핵심 기술은 **동기화(Synchronization)**입니다. 동기화를 통해 여러 스레드가 동시에 자원에 접근할 수 없도록 제어함으로써, 경쟁 조건을 방지하고 데드락을 피할 수 있습니다. Thread Safety를 보장하는 주요 기법은 다음과 같습니다.

1) Mutex(뮤텍스)

**뮤텍스(Mutex)**는 Mutual Exclusion의 약자로, 두 개 이상의 스레드가 동시에 특정 자원에 접근하지 못하도록 보호하는 기법입니다. 뮤텍스는 하나의 스레드만 자원을 잠그고, 다른 스레드는 해당 자원이 잠금 해제될 때까지 기다리게 됩니다. 이를 통해 스레드 간의 경쟁 조건을 방지할 수 있습니다.

// Swift에서 Mutex 사용 예시 (NSLock) 
let lock = NSLock() 
lock.lock() // 자원에 접근하는 코드 
lock.unlock()

뮤텍스는 자원을 잠그는 데 시간이 오래 걸리기 때문에 성능에 영향을 줄 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 뮤텍스는 가장 기본적인 동기화 기법으로 많이 사용됩니다.

2) 세마포어 (Semaphore)

**세마포어(Semaphore)**는 특정 자원의 접근 수를 제한하는 동기화 기법입니다. 세마포어는 자원에 접근할 수 있는 스레드 수를 설정할 수 있으며, 설정된 개수만큼 스레드가 자원에 접근할 수 있게 합니다. 세마포어는 주로 자원을 제한된 개수로 관리할 때 사용됩니다.

// Swift에서 Semaphore 사용 예시 
let semaphore = DispatchSemaphore(value: 1) 
semaphore.wait() // 세마포어 값이 1이면 접근 가능 
// 자원에 접근하는 코드 
semaphore.signal() // 세마포어 값 증가

세마포어는 리소스가 한정된 상황에서 여러 스레드가 효율적으로 리소스를 나눠 사용할 수 있도록 합니다.

3) 읽기-쓰기 잠금 (Read-Write Lock)

**읽기-쓰기 잠금(Read-Write Lock)**은 읽기 작업과 쓰기 작업을 구분하여 자원에 대한 접근을 제어하는 방식입니다. 여러 스레드가 읽기 작업을 동시에 할 수 있도록 허용하면서, 쓰기 작업은 하나의 스레드만 할 수 있도록 제한합니다. 이 방식은 읽기 작업이 많고 쓰기 작업이 드물 경우 유용하게 사용됩니다.

// Swift에서 읽기-쓰기 잠금 예시 
let readWriteLock = NSLock() 

// 읽기 작업 
readWriteLock.lock() 

// 읽기 작업 코드 
readWriteLock.unlock() 

// 쓰기 작업 
writeLock.lock() 

// 쓰기 작업 코드 
writeLock.unlock()

이 방식은 읽기 작업의 성능을 높일 수 있으며, 쓰기 작업에 대해서는 동기화 처리를 하여 경쟁 조건을 방지합니다.

4) Atomic Operations

**원자적 연산(Atomic Operation)**은 연산이 중단되지 않고 단 한 번에 완전히 실행되도록 보장하는 연산입니다. 원자적 연산은 주로 간단한 데이터의 읽기 및 쓰기 작업에 사용되며, 여러 스레드에서 동시에 동일한 값을 읽고 쓸 때 경쟁 조건을 방지할 수 있습니다. Atomic 키워드나 atomic 함수는 연산이 완료되기 전에 다른 스레드가 해당 값을 수정할 수 없도록 합니다.

// Swift에서 원자적 연산 예시 (Atomic) 
var counter: Int = 0 
DispatchQueue.global().async { 
	for _ in 0..<1000 { 
    	counter += 1 // 원자적 연산으로 안전하게 처리 
    }
}

원자적 연산은 성능이 뛰어나지만, 복잡한 연산이나 여러 자원을 다룰 때는 충분히 고려해야 합니다.

5) DispatchQueue와 GCD

**Grand Central Dispatch(GCD)**는 iOS 및 macOS에서 멀티스레딩을 관리하는 강력한 툴입니다. DispatchQueue는 GCD의 핵심 구성 요소로, 여러 작업을 큐에 추가하여 순차적으로 또는 동시에 실행할 수 있게 합니다. GCD는 멀티코어 시스템에서 자원을 효율적으로 분배하여 스레드 안전성을 보장하는 데 유용합니다.

// GCD를 사용한 예시 
let queue = DispatchQueue(label: "com.example.queue") 
queue.sync { 
	// 동기적으로 작업 처리 
}
queue.async { 
	// 비동기적으로 작업 처리 
}

3. Thread Safety의 중요성

1) 안정성

Thread Safety를 보장하는 코드는 멀티스레딩 환경에서 예측 가능한 방식으로 동작합니다. 여러 스레드가 동시에 동일한 자원에 접근하더라도, 이를 안전하게 관리하여 데이터 손상이나 애플리케이션의 비정상적인 종료를 방지할 수 있습니다.

2) 성능 최적화

Thread Safety를 확보하면, 멀티스레드 환경에서 자원의 효율적 사용과 성능 최적화를 할 수 있습니다. 스레드 간의 동기화가 잘 이루어지면, 성능이 저하되는 문제를 최소화하면서 병렬 처리를 효율적으로 수행할 수 있습니다.

3) 코드 유지 관리

스레드 안전한 코드는 유지 관리가 용이합니다. 경쟁 조건이나 데드락이 발생하지 않도록 작성된 코드는 버그가 발생할 확률이 적고, 테스트 및 수정이 쉬워집니다.

결론

Thread Safety는 멀티스레딩 환경에서 매우 중요한 개념입니다. 여러 스레드가 동시에 자원에 접근할 때 발생할 수 있는 문제를 해결하기 위해, 동기화 기법을 적절히 사용하여 경쟁 조건, 데드락, 데이터 손상 등의 문제를 방지해야 합니다. 스레드 안전한 코드를 작성하는 것은 안정성뿐만 아니라 성능 최적화와 코드 유지 관리 측면에서도 매우 중요합니다.