질문 거리

Q1. 동시성 환경에서 프로세스와 스레드를 동기화 하는 이유는?

👉 race condition 이나 deadlock을 방지하기 위해

Q2. 동기화 하는 방법에는 어떤 것이 있는가?

👉 spinlock, semaphore, mutex, monitor 등

Spinlock이란?

👉 두 스레드가 하나의 임계영역에 접근할때, 하나만 접근 가능한 상황이라고 가정하자

Thread 0이 임계영역을 점유중이고 lock을 걸어놓은 상태일때, Thread 1은 접근이 불가능하고 무한정 기다려야한다

다만 spinlock에서는 busy waiting이라는 방법을 사용하는데, Thread 0이 임계영역을 다 사용했는지의 여부를 Thread 1이 계속 확인해야 한다는 것이다

Busy waiting은 코드상에서 while 문으로 대기를 하는 것이므로 컴퓨터 리소스가 크게 낭비된다는 단점이 있다

Semaphore 란?

👉 세마포어는 spinlock의 단점인 busy waiting을 극복하기 위해 wait()와 signal() 메소드를 활용한다

Wait 상태인 스레드는 대기 큐에 들어가서 기다리며 while 문을 반복 실행하지 않으므로 리소스 낭비가 없다

임계영역을 점유중이던 스레드는 작업이 끝나는대로 signal()을 통해 lock을 반환하므로써 대기 큐에 존재하던 스레드를 깨워 준비 큐로 이동시킨다

크게 binary semaphore와 counting semaphore 두가지로 구분된다

binary semaphore

👉 0 과 1 두가지의 값만 존재한다

따라서 하나의 임계영역은 하나의 스레드만이 점유 가능하다

counting semaphore

👉 어떠한 양의 정수 값이 존재한다

이 정수 값만큼의 스레드들이 동시에 접근 가능하다

이쯤에서 spinlock과 semaphore의 차이에 대해 알아보자

spinlock은 loop를 통해 스레드로 하여금 끊임없이 임계영역의 사용 가능 여부를 확인하도록 강제합니다

반면, semaphore는 바로 접근이 불가능한 스레드는 sleep 시키고 사용가능한 상황일때 awaken up 시켜줍니다.
이를 통해, semaphore에서는 리소스의 낭비를 줄일 수 있습니다

또한, spinlock은 구현이 매우 간단해서 한눈에 알아보기 쉬우며 lock을 짧은 시간동안만 점유할 경우에는 오히려 사용하면 좋습니다

반면, semaphore는 구현이 어렵지만 오랜 시간을 대기해야하는 상황에서 효율적입니다

spinlock과 binary semaphore는 하나의 스레드만 lock에 접근가능해서 상호 배제를 제공할 수 있지만, counting semaphore는 여러 스레드에 접근 기회를 제공한다

Mutex 란?

👉 동시성 문제를 지닌 실행에 있어서 가장 간단한 해결방법 중의 하나

Mutual Exclusion 의 줄임말로 상호 배제를 가능하게 한다

뮤텍스는 lock이다! 실행할때 잠궜다가 다 쓰고나면 열어둔다!

뮤텍스 사용시 주의점

1. 잘못 설계할 경우 lock 권한을 가진 스레드가 항상 점유해버리므로 starvation 문제가 일어날 수 있으므로 조심하자

2. 많은 lock을 사용하게 될 경우, deadlock 발생가능성이 높아진다

binary semaphore와 mutex의 차이에 대해 알아보자

binary semaphore는 signaling mechanism 이고 mutex는 locking mechanism이다

Monitor 란?

👉 스레드가 상호 배제와 협동성을 가질 수 있도록 하는 동기화 메커니즘

mutual exclusion - lock을 사용하여 한 순간에 특정 스레드만 임계 영역 접근 가능

cooperation - wait set을 이용하여 특정 조건이 될때까지 스레드를 기다리게 하며, 기다리는 것을 다른 스레드에 알려줄 수 있음

monitor로 불리는 이유는?

스레드가 어떻게 자원에 접근하는지 감시하기 때문

Java 에서는 모니터를 어떻게 구현하는가?

Synchronized 키워드를 사용한다

synchronized methods : 간단하게 사용 가능

public synchronized void method() {
    // 이런식으로 사용됨
    }

synchronized statements : 보안 측면에서 낫다

public void method() {
    
    // 여러 스레드가 사용되어도 괜찮은 영역
    
    //여기부터는 임계 영역
    synchronized(공유 객체) {
        
    } // 임계 영역 끝
    
    // 다시 여러 스레드 사용 가능
    
    }

entry set과 wait set을 사용한다

• 모니터는 entry set, wait set, 임계영역 이렇게 세부분으로 구분된다
• 임계영역은 synchronized 키워드가 선언된 부분으로 스레드가 접근하고 싶은 영역이다
• wait set은 스레드가 대기하는 곳이다
• entry set은 스레드가 입장하는 곳이다
• wait() , notify() 메소드를 사용한다

작동 원리

1. 스레드가 entry set에 들어가서 스케줄러를 기다림
2. 스케줄러가 스레드를 임계영역에 들여보내준다
3. 작업이 완료될 수도 있지만 때로는 wait set에서 대기를 해야한다
4. 다시 차례가 오면 임계영역에 접근하여 작업을 완료한다

JVM의 스케줄러는 우선순위를 기반으로 한 스케줄링 알고리즘을 사용한다

동일한 우선순위를 가진 경우에는 FIFO 스케줄링으로 해결한다

참고

baeldung 블로그