원자적 변수 (Atomic Variable)

Jan 27, 2026

핵심 개념

원자적 변수(Atomic Variable)는 정수, 불린 등 기본 데이터 타입에 대해 원자적 연산을 제공하는 특수 변수이다. count++ 같은 단순한 연산도 실제로는 읽기-수정-쓰기의 3단계로 이루어져 있어 Race Condition을 유발할 수 있는데, 원자적 변수는 이를 하나의 끊기지 않는 동작으로 수행한다.

비유하면 은행 ATM의 잔액 업데이트와 같다. 잔액 확인과 변경이 하나의 동작으로 일어나서, 중간에 다른 트랜잭션이 끼어들지 못한다.

핵심 특징은 Lock을 사용하지 않는다(lock-free)는 것이다. Mutex처럼 잠금을 걸고 푸는 과정 없이 하드웨어 수준의 원자적 명령어(CAS)를 직접 활용하므로, 오버헤드가 적고 Deadlock이 발생하지 않는다.

동작 원리

CAS(Compare-And-Swap) 기반 구현

원자적 변수의 내부는 하드웨어가 제공하는 compare_and_swap() 명령어로 구현된다.

void increment(atomic_int *v) {
    int temp;
    do {
        temp = *v;
    } while (temp != compare_and_swap(v, temp, temp + 1));
    // temp와 현재 값이 같으면 temp+1로 교체 -> 성공
    // 다르면 (다른 스레드가 중간에 값을 바꿈) -> 재시도
}

동작 흐름:

현재 값을 읽는다 (temp = *v)
“읽은 값이 아직 그대로인지 확인”하면서 동시에 새 값으로 교체한다 (CAS)
만약 다른 스레드가 중간에 값을 바꿨으면, CAS가 실패하고 재시도한다

사용 예시

atomic_int sequence;

// Thread 1, 2, 3, ... 동시 실행
increment(&sequence);  // 원자적으로 증가

여러 스레드가 동시에 increment()를 호출해도, 각 호출이 정확히 1만큼 증가시킨다. 값이 누락되거나 중복되지 않는다.

예시

단일 변수에서는 완벽

카운터, 시퀀스 번호 생성기 등 하나의 변수만 보호하면 되는 경우에 이상적이다.

한계: 복합 조건은 보호 불가

유한 버퍼 문제에서 원자적 변수의 한계를 보자.

atomic_int count;  // 원자적 변수

// Producer
while (count == BUFFER_SIZE);  // busy wait
buffer[in] = item;
increment(&count);  // 원자적 증가

// Consumer
while (count == 0);  // busy wait
item = buffer[out];
decrement(&count);  // 원자적 감소

// 문제: 두 consumer가 동시에 while 탈출 가능!
// count=1일 때, 두 consumer 모두 count>0 확인 후 소비 시도

count 자체의 증감은 원자적이지만, “count 확인 -> 조건 판단 -> 소비”라는 복합 동작은 원자적이지 않다. 이런 경우에는 Mutex나 Semaphore가 필요하다.

비교	Atomic Variable	Mutex / Semaphore
Lock 사용	없음 (lock-free)	있음
Deadlock	발생 불가	발생 가능
오버헤드	낮음	상대적으로 높음
보호 범위	단일 변수만	임의의 코드 영역
복합 조건	보호 불가	보호 가능