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Rust Threads 안전성: C와의 비교.

Susan Sarandon원래의: 2024-11-19 11:54:02822검색

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

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.

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.

3. C로 구현

C에서 간단한 시스템을 만들어 보겠습니다.

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.

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.

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

요약하자면 Rust는 경쟁 시스템을 개발하고 보안과 안정성을 제공하는 탁월한 선택입니다.

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

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성명：

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