Rust Threads 안전성: C와의 비교.

이 POC(개념 증명)에서는 Rust 언어가 경합 조건을 어떻게 처리하는지 C 널리 사용되는 언어이지만 경쟁에 대한 보안 보장은 적습니다.

Rust 스레드 안전성: C와의 비교

스레드 안전성: C에서 Rust까지의 데이터 경쟁

색인

1. 소개
2. 스레드
3. C로 구현
• 3.1. 경쟁 조건으로부터 보호되지 않는 코드
  3.2. Mutex로 수정
4. 러스트에서의 구현
• 4.1. 경쟁 조건 문제
  4.2. Mutex 및 Arc를 사용한 해결
  4.3. 뮤텍스 대 RwLock
5. 결론
6. 참고자료

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1. 소개

컴퓨팅에서

스레드는 소프트웨어 작업을 동시에 실행할 수 있는 하위 작업으로 나누는 데 사용됩니다. 스레드를 사용하면 처리 시간이 늘어나고 시스템 리소스를 더 잘 활용할 수 있지만, 이 경쟁은 데이터에 심각한 불일치를 일으킬 수 있는 경합 조건과 같은 문제를 야기합니다.

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2. 스레드

스레드는 작업을 동시에 처리할 수 있는 실행 단위입니다. 아래 이미지에 표시된 것처럼 스레드를 프로그램 내에서 독립적인 실행 흐름으로 생각할 수 있습니다.

스레드는 성능상의 이점을 제공하지만 특히 공유 리소스에 액세스할 때 위험을 초래합니다.

또한 스레드를 사용하여 여러 작업이 서로 다른 CPU 코어에서 동시에 실행되는 병렬성을 구현할 수 있습니다. 이를 통해 프로그램은 사용 가능한 하드웨어를 더 잘 활용하여 독립적인 작업의 실행 속도를 높일 수 있습니다.

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3. C로 구현

C에서 간단한 시스템을 만들어 보겠습니다.

초기 잔액은 1000입니다.
대변 또는 대변이 될 수 있는 일련의 거래입니다.
스레드를 사용하여 이러한 트랜잭션을 병렬 처리합니다.

3.1. 경쟁 조건으로부터 보호되지 않는 코드

int saldo = 1000; 

void creditar(int valor) {
    int tmp_saldo = saldo;

    sleep(1); // Delay simulado

    saldo += tmp_saldo + valor;
}

void debitar(int valor) {
    int temp = saldo;

    sleep(1); // Delay simulado

    if (temp >= valor) {
        saldo = temp - valor;
    }
}

void* processar_transacao(void* arg) {
    int valor = *(int*)arg;

    if (valor > 0) {
        creditar(valor);
    } else {
        debitar(abs(valor));
    }

    return NULL;
}

int main() {
    int transactions[] = {100, -50, 200, -150, 300, -200, 150, -100, 50, -50};
    int num_transactions = sizeof(transactions) / sizeof(transactions[0]);

    pthread_t threads[num_transactions];

    for (int i = 0; i < num_transactions; i++) {
        pthread_create(&threads[i], NULL, processar_transacao, &transactions[i]); // Cria uma thread para cada transação
    }

    for (int i = 0; i < num_transactions; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL); // Aguarda todas as threads terminarem
    }

    printf("Saldo final da conta: %d\n", saldo);
    return 0;
}

멀티스레딩 처리가 있는 환경을 선택하면 경합 조건이 발생할 수 있으며, 2개의 스레드가 동일한 값에 액세스하고 수정하면 경쟁 조건이 발생합니다. 이 문제는 호출 간 경쟁으로 인해 각 스레드에서 액세스하는 값의 동기화가 보장되지 않기 때문에 발생합니다.

이 코드를 여러 번 실행하면 스레드가 동시에 접근하고 잔액을 변경하므로 최종 잔액이 달라집니다.

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3.2. Mutex로 수정

int saldo = 1000; 

void creditar(int valor) {
    int tmp_saldo = saldo;

    sleep(1); // Delay simulado

    saldo += tmp_saldo + valor;
}

void debitar(int valor) {
    int temp = saldo;

    sleep(1); // Delay simulado

    if (temp >= valor) {
        saldo = temp - valor;
    }
}

void* processar_transacao(void* arg) {
    int valor = *(int*)arg;

    if (valor > 0) {
        creditar(valor);
    } else {
        debitar(abs(valor));
    }

    return NULL;
}

int main() {
    int transactions[] = {100, -50, 200, -150, 300, -200, 150, -100, 50, -50};
    int num_transactions = sizeof(transactions) / sizeof(transactions[0]);

    pthread_t threads[num_transactions];

    for (int i = 0; i < num_transactions; i++) {
        pthread_create(&threads[i], NULL, processar_transacao, &transactions[i]); // Cria uma thread para cada transação
    }

    for (int i = 0; i < num_transactions; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL); // Aguarda todas as threads terminarem
    }

    printf("Saldo final da conta: %d\n", saldo);
    return 0;
}

뮤텍스는 한 번에 하나의 스레드만 공유 리소스에 액세스할 수 있도록 보장하는 동기화 기본 요소입니다. 뮤텍스라는 약어는 "상호 배제"를 의미하는 영어 용어 상호 배제에서 유래되었습니다.

스레드가 뮤텍스를 획득하면 동일한 뮤텍스를 획득하려는 다른 스레드는 첫 번째 스레드가 뮤텍스를 해제할 때까지 일시 중지됩니다. 이는 두 개 이상의 프로세스(스레드)가 공유 리소스에 동시에 액세스하는 것을 방지합니다.

4. 러스트에서의 구현

int saldo = 1000; 
pthread_mutex_t saldo_mutex; // Mutex para proteger o saldo

void creditar(int valor) { 
    pthread_mutex_lock(&saldo_mutex); // Bloqueia o mutex
    int tmp_saldo = saldo;

    sleep(1); // Delay simulado

    saldo = tmp_saldo + valor;

    pthread_mutex_unlock(&saldo_mutex); // Libera o mutex
}

void debitar(int valor) {
    pthread_mutex_lock(&saldo_mutex); // Bloqueia o mutex
    int tmp_saldo = saldo;

    sleep(1); // Delay simulado

    if (tmp_saldo >= valor) {
        saldo = tmp_saldo - valor;
    }

    pthread_mutex_unlock(&saldo_mutex);  // Libera o mutex
}

Rust를 데이터 경쟁에 없는 언어로 생각하는 것은 생산적이지 않지만, 구조체와 그 컴파일러가 메모리 및 스레드 안전을 위한 훌륭한 기능을 제공함으로써 어떻게 기여하는지 이해할 수 있습니다.

Rust는 소유권, 차용 및 동시성이 안전한 구조 와 같은 기능을 사용하여 컴파일 시간 보장으로 경합 조건

을 처리합니다.

• Arc: 불변 데이터를 안전하게 공유합니다.
• Mutex 및 RwLock: 변경 가능한 데이터에 대한 액세스 제어

4.1. 경쟁 조건 문제

Arc 및 Mutex 구조체를 사용하지 않음

Rust’s rich type system and ownership model guarantee memory-safety and thread-safety — enabling you to eliminate many classes of bugs at compile-time.

Rust는 보호 없이 여러 스레드에서 변경 가능한 데이터(잔액)에 직접 액세스하는 것을 허용하지 않습니다.
안전한 메커니즘 없이 밸런스가 여러 스레드(handle1 및 handle2)로 이동되기 때문에 컴파일러에서 오류가 발생합니다.
표시되는 오류 메시지는 다음과 같습니다.

fn main() {
    let mut saldo = 1000; // saldo mutável, mas sem proteção

    let handle1 = thread::spawn(move || {
        saldo += 100;  // erro: `saldo` é movido para esta thread sem proteção
    });

    let handle2 = thread::spawn(move || {
        saldo -= 50;  // erro: `saldo` é movido para esta thread sem proteção
    });

    handle1.join().unwrap();
    handle2.join().unwrap();
}

4.2. Mutex 및 Arc를 사용한 해결

Mutex와 Arc를 사용하여 경합 조건 문제를 해결하면서 코드를 컴파일하고 실행할 수 있었습니다.

error[E0382]: use of moved value: `saldo`

4.3. 뮤텍스 대 RwLock

Mutex와 RwLock은 경합 조건을 처리하는 데 사용되며 각각 다음과 같은 장점이 있습니다.

뮤텍스: 한 스레드의 리소스에 대한 독점 액세스를 보장하고 해당 스레드가 해제될 때까지 다른 스레드의 액세스를 차단합니다. 간단하고 효과적이지만 읽기가 리소스를 차단하므로 읽기가 많은 시나리오에서는 효율성이 떨어집니다.

RwLock: .read()를 사용하여 여러 동시 읽기를 허용하고 .write()를 사용하여 단독 쓰기를 제한합니다. 읽기 작업에서 병렬 처리를 허용하여 성능을 향상시키므로 읽기가 우세한 시나리오에 이상적입니다.

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5. 결론

C와 Rust의 비교는 경합 조건을 해결하는 다양한 접근 방식을 강조합니다. C에서는 경쟁 조건 오류를 방지하기 위해 주의가 필요하지만 Rust는 소유권 모델 외에도 Mutex, RwLock 및 Arc와 같은 도구를 통해 컴파일 타임에 이러한 위험을 줄입니다. 이는 코드를 더욱 안전하게 만들 뿐만 아니라, 조용한 버그를 방지하여 프로그래머의 정신적 부담을 줄여줍니다

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요약하자면 Rust는 경쟁 시스템을 개발하고 보안과 안정성을 제공하는 탁월한 선택입니다.

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6. 참고자료

• 코드가 포함된 저장소: https://github.com/z4nder/rust-data-races
• https://en.wikipedia.org/wiki/Race_condition
• https://blog.bughunt.com.br/o-que-sao-vulnerabilidades-race-condition/
• https://medium.com/cwi-software/spring-boot-race-condition-e-ambiente-multi-thread-263b21e0042e
• https://learn.microsoft.com/en-us/troubleshoot/developer/visualstudio/visual-basic/언어-compilers/race-conditions-deadlocks
• https://www.reddit.com/r/rust/comments/18faxjg/understanding_threadsafety_vs_race_conditions/?rdt=52263
• https://doc.rust-lang.org/nomicon/races.html
• https://news.ycombinator.com/item?id=23599598

위 내용은 Rust Threads 안전성: C와의 비교.의 상세 내용입니다. 자세한 내용은 PHP 중국어 웹사이트의 기타 관련 기사를 참조하세요!