[OS] 세마포어와 뮤텍스

hyng·2022년 3월 30일

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세마포어와 뮤텍스

멀티 스레딩 환경에서는 전역변수, 힙 영역 등 스레드들끼리 공유되는 자원이 존재합니다.
이런 공유 자원들에 접근하는 코드 영역을임계 영역이라고 합니다.
임계 영역은 상호배제(각 스레드는 공유 자원의 손상을 방지하기 위해 배타적으로(독점적으로) 공유 자원을 사용해야 함) 되어야 합니다.
그렇지 않으면 race condition문제가 발생할 수 있습니다.
임계 영역을 상호배제하는 방법이 바로 세마포어와 뮤텍스입니다.

세마포어

세마포어는 동시에 임계 영역에 접근 가능한 스레드 수를 정해, 그 수만큼 스레드가 동시에 임계 영역에 접근할 수 있도록 합니다.
각 스레드들은 임계영역에 접근할때 카운트 값을 1 감소시키고 임계영역에서 빠져나올때 카운트값을 1 증가시킵니다.
세마포어를 java 코드로 작성해보면 아래와 같습니다.

public class Semaphore{
    int count; //동시에 임계영역에 접근할 수 있는 스레드 수
    public Semaphore(int count){
        this.count = count;
    }
    public synchronized void Wait(int index){
        //lock
        count--;
        if(count < 0) //이 객체의 대기큐에서 기다림
            System.out.println(index + " 스레드 현재 큐에서 대기중");
            this.wait();
    } //unlock
    
    public synchronized void Signal(int index){
        //lock
        count++;
        if(count <= 0) // 기다리는 스레드가 있음
            this.notify(); // 대기큐에서 대기중인 스레드 중 하나를 깨움
            System.out.println(index + " 스레드가 대기큐에서 스레드 깨움");

    
    }  //unlock

참고로 java에서는 모든 객체가 대기 큐를 가지고 있으며, 각 객체에 대해 wait(), notify(), notifyAll() 멤버 함수를 사용할 수 있습니다.
wait()를 호출하여 대기 상태가 되면 synchronized에 의해 획득한 lock은 자동으로 풀리고, 나중에 nofity() 의해 깨어나면 자동으로 다시 lock을 획득합니다.
위의 코드를 테스트 해보기 위해 main클래스를 작성합니다.

public class Main{
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Semaphore semaphore = new Semaphore(1);
        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000);
                semaphore.Wait(1);
                Thread.sleep(1000);
                semaphore.Signal(1);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000);
                semaphore.Wait(2);
                Thread.sleep(1000);
                semaphore.Signal(2);

            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();

    }
}

테스트를 위해서 sleep()을 중간 중간 호출합니다.
어떤 스레드가 먼저 실행되냐에 따라 대기 큐에 들어가는 스레드가 바뀔 수 있습니다.

첫 번째 스레드가 Wait()에서 count 수를 하나 감소시키고 리턴한 다음 sleep()로 인해 멈춰있는 동안 두 번째 스레드가 Wait()에 진입합니다.
아직 첫 번째 스레드에서 Signal() 메서드를 실행하지 못했기 때문에 count 값은 0인 상태로 존재합니다.
그래서 두 번째 스레드는 우리가 만든 메서드 Wait()에서 wait()을 호출하고 대기 큐에 들어가 대기하게 됩니다.
첫 번째 스레드가 sleep()에서 깨어나서 Signal()을 호출하고 notify()를 통해 대기 큐에서 대기 중인 두 번째 스레드를 깨웁니다.
그래서 실행 결과 콘솔 결과는 아래와 같습니다.