원자성, 격리성, 일관성 — 동시성 개념을 물리적으로 이해하기

동시성(concurrency)을 공부하다 보면
비슷해 보이는 단어들이 계속 등장한다.

• 원자성(Atomicity)
• 격리성(Isolation)
• 무결성(Integrity)
• 가시성(Visibility)
• 일관성(Consistency)
• Race Condition

문제는 이 단어들이 서로 겹쳐 보인다는 점이다.

하지만 이 개념들은
서로 다른 계층에서 발생하는 문제를 설명하는 말이다.

이번 글에서는
하나의 예시를 끝까지 확장하면서
각 개념을 정확히 분리해본다.

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1. 공통 예시: 은행 계좌 출금

초기 상태:

balance = 1000

def withdraw(amount):
    global balance
    if balance >= amount:
        balance -= amount

두 스레드가 동시에 withdraw(700)을 실행한다고 가정하자.

이 하나의 코드에서
여러 종류의 동시성 문제가 발생할 수 있다.

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2. 원자성(Atomicity)

정의

하나의 연산이 “쪼개지지 않는 것”

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실제 CPU에서 일어나는 일

balance -= 700

이 한 줄은 실제로는:

load balance
subtract 700
store balance

3단계다.

두 스레드가 동시에 실행하면:

A: load 1000
B: load 1000
A: store 300
B: store 300

결과는 300.

이건 무엇인가?

👉 원자성 깨짐

연산이 쪼개졌기 때문이다.

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해결 방법

• atomic 연산
• mutex
• compare-and-swap(CAS)

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핵심

다른 스레드가 “중간 단계”에 끼어들지 못하게 하는 것

원자성은 연산 단위의 보호다.

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3. 무결성(Integrity)

정의

데이터가 논리적으로 올바른 상태를 유지하는 것

예:

balance ≥ 0

이게 비즈니스 규칙이다.

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두 번 동시에 출금하면
잔액이 음수가 될 수 있다.

이건 무엇인가?

👉 무결성 위반

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중요한 점

• 원자성은 “기술적 보호”
• 무결성은 “비즈니스 규칙 보호”

원자적이어도 무결성이 깨질 수 있다.

예:

atomic_decrement(balance, 2000)

원자적이지만
잔액은 -1000이 된다.

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4. 격리성(Isolation)

이제 데이터베이스 상황을 생각해보자.

트랜잭션 A:

balance -= 700
(아직 commit 안함)

트랜잭션 B:

balance 조회

B가 300을 보면 안 된다.
왜냐하면 A가 롤백할 수도 있기 때문이다.

이건 무엇인가?

👉 격리성 문제

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정의

동시에 실행되지만, 서로의 “중간 상태”를 보지 못하게 하는 것

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핵심 차이

• 원자성 → 하나의 연산 단위
• 격리성 → 여러 연산 묶음(트랜잭션)

격리성은 더 큰 단위의 보호다.

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5. 가시성(Visibility)

이번엔 CPU 두 개 상황.

코어 1:

balance = 300

코어 2:

print(balance)

코어 2가 여전히 1000을 볼 수 있다.

왜?

• 각 코어는 자기 캐시를 가진다.
• 메모리 동기화가 즉시 되지 않는다.

이건 무엇인가?

👉 가시성 문제

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정의

한 코어가 변경한 값이 다른 코어에 언제 보이느냐

원자성과는 별개다.

원자적으로 써도
다른 코어에 안 보이면 의미 없다.

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6. 일관성(Consistency)

이번엔 명령어 순서 문제.

코어 1:

balance = 0
flag = true

코어 2:

if flag:
    print(balance)

CPU는 성능을 위해 명령어를 재정렬(reordering)할 수 있다.

결과:

• flag는 true
• balance는 아직 1000

이건 무엇인가?

👉 메모리 일관성 문제

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정의

여러 코어가 동일한 순서로 값을 관측하는가

이 문제를 막기 위해:

• memory barrier
• acquire/release
• happens-before

같은 개념이 등장한다.

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7. Race Condition

위 모든 문제의 공통점은 무엇인가?

실행 순서에 따라 결과가 달라진다.

이걸 Race Condition이라고 한다.

Race는 문제의 이름이고,
원자성·가시성·일관성은 그 원인이다.

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8. 개념 정리표

개념무엇을 막는가계층

원자성	연산 중간 단계 노출	CPU
가시성	캐시로 인한 값 지연	CPU
일관성	명령어 재정렬	CPU
격리성	트랜잭션 중간 상태 노출	DB
무결성	논리 규칙 깨짐	비즈니스
Race	순서 의존 결과	전체

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9. 원자성 vs 격리성 다시 정리

질문원자성격리성

단위	하나의 연산	여러 연산 묶음
보호 범위	작음	큼
계층	CPU	DB
막는 것	쪼개짐	섞임

한 줄 정리:

원자성은 “쪼개지지 않음”
격리성은 “섞이지 않음”

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10. 왜 이걸 성능 엔지니어가 알아야 하는가?

동시성 버그는:

• 락 과다 → 성능 저하
• 락 부족 → 데이터 깨짐
• 잘못된 메모리 모델 이해 → 희귀 버그

성능 튜닝은 단순히 빠르게 만드는 게 아니라,

정확하면서 빠르게 만드는 것

이다.

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핵심 요약

• 원자성은 연산 단위 보호
• 격리성은 트랜잭션 단위 보호
• 무결성은 논리 규칙
• 가시성은 캐시 문제
• 일관성은 순서 문제
• Race는 실행 순서 의존성