[OS] 뮤텍스(Mutex) & 세마포어(Semaphore)

사전 지식

 

임계 구역(Critical section)

: 다수의 프로세스가 데이터를 공유하며 실행되는 상황에서 각 프로세스가 공유 자원에 접근하는 코드 블록을 의미

다수의 프로세스가 동시에 공유 자원에 접근하여 사용하면 문제가 생기게 됨

• 즉, 여러 프로세스가 동일 자원을 동시에 참조하여 값(공유하는 변수명, 파일 등)이 오염될 위험 가능성이 있는 영역
• 프로그래밍 시, 성능 향상을 위해 임계영역을 최소화하는 설계를 해야 함

이를 해결하기 위해 데이터를 한 번에 하나의 프로세스만 접근할 수 있도록 제한을 두는 동기화 방식을 취해야 함

동기화 도구에는 대표적으로 뮤텍스(Mutex)와 세마포어(Semaphore)가 있음

• 이들은 모두 공유된 자원의 데이터를 여러 스레드/프로세스가 접근하는 것을 막는 역할을 함

 

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뮤텍스(Mutex)란?

 

동시 프로그래밍에서 공유 불가능한 자원의 동시 사용을 피하기 위해 사용하는 알고리즘

• 임계구역(Critical Section)을 가진 스레드들의 실행시간(Running Time)이 서로 겹치지 않고 각각 단독으로 실행(상호배제_Mutual Exclution) 되도록 하는 기술
• 한 프로세스에 의해 소유될 수 있는 Key를 기반으로 한 상호배제 기법
  • Key에 해당하는 어떤 객체(Object)가 있으며, 이 객체를 소유한 스레드/프로세스만이 공유자원에 접근할 수 있다.
• 다중 프로세스들의 공유 리소스에 대한 접근을 조율하기 위해 동기화(Synchronization) 또는 락(Lock)을 사용.
• 즉, 뮤텍스 객체를 두 스레드가 동시에 사용할 수 없다.

 

예시

뮤텍스는 화장실이 하나뿐인 식당과 비슷하다. 화장실을 가기 위해서는 카운터에서 열쇠를 받아 가야 한다.

당신이 화장실을 가려고 하는데 카운터에 키가 있으면 화장실에 사람이 없다는 뜻이고 당신은 그 열쇠를 이용해 화장실에 들어갈 수 있다.

 

당신이 화장실에서 행복한 시간을 보내고 있는데 다른 테이블에 있는 어떤 남자가 화장실에 가고 싶어졌다.

이 남자는 아무리 용무가 급하더라도 열쇠가 없기 때문에 화장실에 들어갈 수 없다.

결국 남자는 당신이 용무를 마친 후 나올 때까지 카운터에서 기다려야 한다.

 

곧이어 옆 테이블에 있는 남자도 화장실에 가고 싶어 졌고 이 남자 또한 화장실에 들어가기 위해서는 카운터에서 대기해야 한다.

 

이제 당신이 화장실에서 나와 카운터에 키를 돌려놓았다. 이제 기다리던 사람들 중 맨 앞에 있던 사람은 키를 받을 수 있고 이를 이용해 화장실에 갈 수 있다.

 

뮤텍스는 Key에 해당하는 어떤 오브젝트가 있으며 이 오브젝트를 소유한 (스레드, 프로세스) 만이 공유자원에 접근할 수 있다.

- 화장실 = 공유자원

- 화장실을 이용하는 손님들 = 프로세스(스레드)

- 대기 줄 = 큐

- 화장실 키 = 공유자원에 접근하기 위해 필요한 어떤 오브젝트(뮤텍스)

 

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세마포어(Semaphore)란?

 

멀티프로그래밍 환경에서 공유된 자원에 대한 접근을 제한하는 방법

• 공유자원의 상태를 나타낼 수 있는 카운터로 생각할 때,
  • 사용하고 있는 스레드/프로세스의 수를 공통으로 관리하는 하나의 값을 이용해 상호배제를 달성한다.
  • 운영체제 또는 커널의 한 지정된 저장장치 내의 값
  • 일반적으로 비교적 긴 시간을 확보하는 리소스에 대한 이용
  • 유닉스 프로그래밍에서 세마포어는 운영체제의 리소스를 경쟁적으로 사용하는 다중 프로세스에서 행동을 조정하거나 또는 동기화하는 기술
• 공유 자원에 접근할 수 있는 프로세스의 최대 허용치만큼 동시에 사용자가 접근할 수 있다.
• 각 프로세스는 세마포어의 값을 확인하고 변경할 수 있다.
• 자원을 사용하지 않는 상태가 될 때, 대기하던 프로세스가 즉시 자원을 사용한다.
• 이미 다른 프로세스에 의해 사용 중이라는 사실을 알게 되면, 재시도 전에 일정시간 대기해야 한다.
• 세마포어를 사용하는 프로세스는 그 값을 확인하고, 자원을 사용하는 동안에는 그 값을 변경함으로써 다른 세마포어 사용자들이 대기하도록 해야 한다.
• 세마포어는 이진수를 사용하거나 추가적인 값을 가질 수 있다.

 

예시

세마포어는 손님이 화장실을 좀 더 쉽게 이용할 수 있는 레스토랑이다. 세마포어를 이용하는 레스토랑의 화장실에는 여러 개의 칸이 있다. 그리고 화장실 입구에는 현재 화장실의 빈칸 개수를 보여주는 전광판이 있다.

 

만약 당신이 화장실에 가고 싶다면 입구에서 빈칸의 개수를 확인하고 빈칸이 1개 이상이라면 빈칸의 개수를 하나 뺀 다음에 화장실로 입장해야 한다. 그리고 나올 때 빈칸의 개수를 하나 더해준다.

 

모든 칸에 사람이 들어갔을 경우 빈 칸의 개수는 0이 되며 이때 화장실에 들어가고자 하는 사람이 있다면 빈 칸의 개수가 1로 바뀔 때까지 기다려야 한다.

 

사람들은 나오면서 빈 칸의 개수를 1씩 더한다. 그리고 기다리던 사람은 이 숫자에서 다시 1을 뺀 다음 화장실로 돌진한다.

 

이처럼 세마포어는 공통으로 관리하는 하나의 값을 이용해 상호배제를 달성함

- 화장실 = 공유자원

- 화장실을 이용하는 손님들 = 프로세스(스레드)

- 대기 줄 = 큐

- 전광판의 숫자 = 공유자원에 접근가능한 프로세스의 개수를 나타내는 어떤 변수(세마포어)

 

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뮤텍스와 세마포어의 차이점

 

1. 가장 큰 차이점을 동기화 대상의 개수

• Mutex는 동기화 대상이 only 1개일 때 사용
• Semaphore는 동기화 대상이 1개 이상일 때 사용

 

2. Semaphore는 Mutex가 될 수 있지만, Mutex는 Semaphore가 될 수 없음

• Mutex는 0, 1로 이루어진 이진 상태를 가지므로 Binary Semaphore!

 

3. Mutex는 자원 소유 가능 + 책임을 가지는 반면, Semaphore는 자원 소유 불가

• Mutex는 상태 0, 1 뿐이므로 Lock 가질 수 있음

 

4. Mutex는 소유하고 있는 스레드만이 이 Mutex를 해제할 수 있음

• 반면, Semaphore는 Semaphore를 소유하지 않는 스레드가 Semaphore를 해제할 수 있음

 

5. Semaphore는 시스템 범위에 걸쳐 있고, 파일 시스템 상의 파일로 존재함

• 반면, Mutex는 프로세스의 범위를 가지며 프로세스 종료될 때 자동으로 Clean up (해제)됨

 

뮤텍스와 세마포어는 모두 완벽한 기법은 아니므로, 데이터 무결성을 보장할 수 없으며 모든 교착 상태를 해결하지는 못함

하지만, 상호배제를 위한 기본적인 기법이며 여기에 좀 더 복잡한 메커니즘을 적용해 개선된 성능을 가질 수 있도록 하는 것이 중요