개요

동시성 프로그래밍 시 공유자원을 안전하게 관리하기 위해서는 상호배제(Mutual exclusion)를 달성하는 기법이 필요하다.

뮤텍스(Mutex)와 세마포어(Semaphore)는 이를 위해 고안된 기법으로 서로 다른 방식으로 상호배제를 달성한다. 이에 뮤텍스와 세마포어 개념에 대하여 정리해보는 시간을 갖도록 하자.

위 내용을 설명하기에 앞서 임계 영역(Critical Section)에 대한 개념부터 파악이 필요하다.

임계 영역(Critical Section)

공유변수 영역이라고도 둘 이상의 스레드가 동시에 접근해서는 안되는 공유 자원(자료 구조 또는 장치)을 접근하는 코드의 일부를 말한다.

임계 구역은 지정된 시간이 지난 후 종료된다. 때문에 어떤 스레드(태스크 또는 프로세스)가 임계 구역에 들어가고자 한다면 지정된 시간만큼 대기해야 한다. 스레드가 공유자원의 배타적인 사용을 보장받기 위해서 임계 구역에 들어가거나 나올때는 세마포어 같은 동기화 매커니즘이 사용된다.

코드의 구역

각 프로세스는 자신의 임계 구역에 진입하려면 진입허가를 요청해야 한다. 이런 요청을 구현하는 코드 부분을 입장 구역(entry section)이라고 한다.

입장 구역에서 기다리다가 진입 허가가 나면 임계 구역에 들어간다. 임계 구역 이후에는 임계 구역을 빠져나왔음을 알리는 코드 부분인 퇴장 구역(exit section)이 있다. 또한, 그밖의 나머지 코드 부분들을 총칭하여 나머지 구역(remainder section)이라 한다.

• 코드 예시

do {
	wait(mutex);   //입장 구역
	임계 구역
	signal(mutex); //퇴장 구역
	나머지 구역
}

임계 구역 문제

임계 구역 문제란 임계 구역으로 지정되어야 할 코드 영역이 임계 구역으로 지정되지 않았을 때 발생할 수 있는 문제를 말한다.

뮤텍스(Mutex)

한 쓰레드, 프로세스에 의해 소유될 수 있는 Key를 기반으로 한 상호배제기법이다.

뮤텍스는 자원에 대한 접근을 동기화하기 위해 사용되는 상호배제 기술이다. 이것은 프로그램이 시작될 때 고유한 이름으로 생성된다. 뮤텍스는 Locking 메커니즘으로 오직 하나의 쓰레드만이 동일한 시점에 뮤텍스를 얻어 임계 영역(Critical Section)에 들어올 수 있다. 그리고 오직 이 쓰레드만이 임계 영역에서 나갈 때 뮤텍스를 해제할 수 있다.

이미지 출처 : https://open4tech.com/wp-content/uploads/2020/03/mutex_states-400x260.jpg

세마포어(Semaphore)

Signaling mechanism. 현재 공유자원에 접근할 수 있는 쓰레드, 프로세스의 수를 나타내는 값을 두어 상호배제를 달성하는 기법

세마포어는 Signaling 메커니즘이라는 점에서 뮤텍스와 다르다. 세마포어는 락을 걸지 않은 쓰레드도 Signal을 보내 락을 해제할 수 있다는 점에서, wait 함수를 호출한 쓰레드만이 signal 함수를 호출할 수 있는 뮤텍스와 다르다.

세마포어는 동기화를 위해 wait와 signal이라는 2개의 atomic operations를 사용한다.

wait를 호출하면 세마포어의 카운트를 1줄이고, 세마포어의 카운트가 0보다 작거나 같아질 경우에 락이 실행된다.

세마포어의 카운트가 0보다 작거나 같아져 동기화가 실행된 상황에, 다른 쓰레드가 signal 함수를 호출하면 세마포어의 카운트가 1증가하고, 해당 쓰레드는 락에서 나올 수 있다.

세마포어는 크게 Counting Semaphores, Binary Semaphore 2종류가 있다. 카운팅 세마포어는 세마포어의 카운트가 양의 정수값을 가지며, 설정한 값만큼 쓰레드를 허용하고 그 이상의 쓰레드가 자원에 접근하면 락이 실행된다. 바이너리 세마포어는 세마포어의 카운트가 1이며 Mutex처럼 사용될 수 있다.(뮤텍스는 절대로 세마포어처럼 사용될 수 없다.)

이미지 출처 : https://open4tech.com/wp-content/uploads/2020/03/counting_semaphore_states-1-600x297.jpg

뮤텍스(Mutex) / 세마포어(Semaphore) 차이점

뮤텍스는 Locking 메커니즘으로 락을 걸은 쓰레드만이 임계 영역을 나갈때 락을 해제할 수 있다. 하지만 세마포어는 Signaling 메커니즘으로 락을 걸지 않은 쓰레드도 signal을 사용해 락을 해제할 수 있다. 세마포어의 카운트를 1로 설정하면 뮤텍스처럼 활용할 수 있다.

• 이해하기 쉬운 예시 : 레스토랑 화장실