공유된 자원 속 하나의 데이터는 한 번에 하나의 프로세스만 접근할 수 있도록 제한해 두어야 하는데, 공유된 자원에 여러 개의 프로세스가 동시에 접근하면 문제가 발생합니다.
이를 해결하기 위해 데이터에 접근을 한 번에 하나의 프로세스만 할 수 있도록 제한을 두는 "동기화 방식" 을 취해야 합니다.
뮤텍스와 세마포어가 바로 대표적인 "동기화 도구"입니다.
이 둘을 살펴보기 이전에 "임계 영역" 과 "스핀락" 이라는 용어를 살펴보고 가겠습니다.
임계영역(Critical Section)
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둘 이상의 스레드가 공유 자원에 접근할 때, 오직 한 스레드만의 접근을 허용해야 하는 경우에 사용합니다.
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여러 프로세스가 데이터를 공유하며 수행될 때,
각 프로세스에서 공유 데이터를 접근하는 프로그램 코드 블록입니다. -
즉, 여러 프로세스가 동일 자원을 동시에 참조하여 값(공유하는 변수명, 파일 등)이 오염될 위험 가능성이 있는 영역
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프로그래밍 시, 성능 향상을 위해 임계영역을 최소화하는 설계를 해야 합니다.
스핀락(Spinlock)
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임계영역이 락이 걸려서 진입이 불가능할 때, 임계영역이 언락되어 진입이 가능해질 때까지 루프를 돌면서 무작정 반복으로 재시도하며 스레드가 CPU를 점유하고 있는 상태를 말합니다.
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이때, CPU를 점유하여 무의미한 코드를 계속 수행하면서 임계영역이 언락되길 기다리는 것이기 때문에 스핀락은 Busy Waiting 상태입니다.
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스핀락은 운영체제의 스케줄링 지원을 받지 않기 때문에, 해당 스레드에 대한 문맥 교환(context switch)이 일어나지 않습니다.
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임계영역이 짧은 시간 안에 언락되어 진입이 가능한 상태이면 context switch 비용이 들지 않아 효율적일 수 있지만,
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임계영역이 오랜 시간동안 언락되지 않으면 그 시간동안 계속 CPU를 점유하고 있어 다른 스레드가 사용하지 못하기 때문에 오버헤드도 존재합니다.
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스핀락은 상태가 오직 획득(Lock) / 해제(Unlock)만 존재하기에 한 번에 하나의 컴포넌트만 접근이 가능하며, 획득과 해제의 주체는 동일해야 합니다.
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스핀락은 context switch가 일어나지 않기 때문에 멀티 프로세서 시스템에서만 사용 가능합니다.
뮤텍스(Mutex)
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뮤텍스(Mutex)는 상호 배제(Mutual Exclusion)의 약자입니다.
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뮤텍스는 상태가 오직 획득(Lock) / 해제(Unlock)만 존재한다는 점은 스핀락과 동일합니다.
lock: 현재의 임계 구역에 들어갈 권한을 얻어온다. 만일 다른 프로세스/스레드가 임계 구역을 수행 중이라면 종료할때까지 대기한다(entry section).
unlock: 현재의 임계 구역을 모두 사용했음을 알린다. 대기중인 다른 프로세스/스레드가 임계 구역에 진입할 수 있다(exit section).
- 하지만 스핀락이 임계영역이 언락되어 권한을 획득하기까지 Busy Waiting 상태를 유지한다면, 뮤텍스는 Sleep 상태로 들어갔다 Wakeup 되면 다시 권한 획득을 시도합니다.
세마포어(Semaphore)
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스핀락과 뮤택스와 달리 표현형이 정수형이다. 이 점을 살려 하나 이상의 컴포넌트가 공유자원에 접근할 수 있도록 허용할 수 있습니다.
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컴포넌트가 특정 자원에 접근할 때 semWait이 먼저 호출되어 임계영역에 들어갈 수 있는지 먼저 확인합니다.
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임계영역에 접근이 가능하다면 semWait을 빠져나와 임계영역에 들어가고, 이후 semSignal이 호출되어 임계영역에서 빠져나옵니다.
semWait 연산:
세마포어의 값을 감소. 만약 값이 음수가 되면 semWait을 호출한 스레드는 블록되지만 음수가 아니면 작업을 수행한다.semSignal 연산:
세마포어의 값을 증가. 만약 값이 양수가 아니라면 semWait 연산에 의해 블록된 스레드를 다시 wake시킨다. -
세마포어의 값은 자원의 수를 의미하고, 세마포어는 사용할 수 있는 자원의 개수에 따라 두가지 유형이 있습니다.
Counting Semaphore(개수 세마포어):
도메인이 0 이상인 임의의 정수값인 세마포어이다.
여러개의 자원을 가질 수 있으며, 제한된 자원을 가지고 액세스 작업할 때 사용한다.Binary Semaphore (이진 세마포어)
0 또는 1 값만 가질 수 있는 세마포어이다.
임계영역 문제를 해결하는 데에 사용하며, 자원이 하나이기 때문에 뮤텍스로도 사용할 수 있다.
