세마포어(Semaphore)와 뮤텍스(Mutex)

세마포어(Semaphore)

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공유된 자원에 여러 프로세스가 동시에 접근하면서 문제가 발생할 수 있다. 이때 공유된 자원의 데이터는 한 번에 하나의 프로세스만 접근할 수 있도록 제한을 둬야 한다.

이를 위해 나온 것이 바로 '세마포어'

• Dijkstra가 제안한 방법으로 상호 배제의 원리를 보장하는 알고리즘이다.
• 임계구역 대하여 각각의 프로세스들의 접근을 제어하고 프로세스 사이의 동기를 유지한다.
• 잠자기와 깨우기의 연산을 이용하며, 공유 자원의 수를 나타내는 변수를 세마포어 변수 S라고 한다.
• 세마포어 변수는 일반적으로 정수형 변수를 사용한다.
• 세마포어 종류는 다음과 같다.

세마포어 P,V 연산

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P : 임계 구역에 들어가기 전에 수행 (프로세스 진입 여부를 자원의 개수(S)를 통해 결정)

V : 임계 구역에서 나올 때 수행 (자원 반납 알림, 대기 중인 프로세스를 깨우는 신호)

구현방법

P(S);

// --- 임계 구역 ---

V(S);

procedure P(S)   --> 최초 S값은 1임
    while S=0 do wait  --> S가 0면 1이 될때까지 기다려야 함
    S := S-1   --> S를 0로 만들어 다른 프로세스가 들어 오지 못하도록 함
end P

--- 임계 구역 ---

procedure V(S) --> 현재상태는 S가 0임
    S := S+1   --> S를 1로 원위치시켜 해제하는 과정
end V

이를 통해, 한 프로세스가 P 혹은 V를 수행하고 있는 동안 프로세스가 인터럽트 당하지 않게 된다. P와 V를 사용하여 임계 구역에 대한 상호배제 구현이 가능하게 되었다.

예시
최소 S 값은 1이고, 현재 해당 구역을 수행할 프로세스 A,B가 있다고 가정하자

1. 먼저 도착한 A가 P(S)를 실행하여 S를 0으로 만들고 임계구역에 들어감
2. 그 뒤 도착한 B가 P(S)를 실행하지만 S가 0이므로 대기 상태
3. A가 임계구역 수행을 마치고 V(S)를 실행하면 S는 다시 1이 됨
4. B는 이제 P(S)에서 while 문을 빠져나올 수 있고, 임계구역으로 들어가 수행함

상호배제(뮤텍스 - Mutual Exclusion)

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임계 구역을 가진 스레드들의 실행시간이 서로 겹치지 않고 각각 단독으로 실행되게 하는 기술

해당 접근을 조율하기 위해 lock과 unlock을 사용한다.

• lock : 현재 임계 구역에 들어갈 권한을 얻어옴 (만약 다른 프로세스/스레드가 임계 구역 수행 중이면 종료할 때까지 대기)
• unlock : 현재 임계 구역을 모두 사용했음을 알림. (대기 중인 다른 프로세스/스레드가 임계 구역에 진입할 수 있음)

뮤텍스는 상태가 0,1로 이진 세마포어로 부르기도 함.

뮤텍스 알고리즘

1. 데커(Dekker) 알고리즘
   flag와 turn 변수를 통해 임계 구역에 들어갈 프로세스/스레드를 결정하는 방식
   -flag : 프로세스 중 누가 임게역역에 진입할 것인지 나타내는 변수
   -turn : 누가 임계구역에 들어갈 차례인지 나타내는 변수

while(true) {
    flag[i] = true; // 프로세스 i가 임계 구역 진입 시도
    while(flag[j]) { // 프로세스 j가 현재 임계 구역에 있는지 확인
        if(turn == j) { // j가 임계 구역 사용 중이면
            flag[i] = false; // 프로세스 i 진입 취소
            while(turn == j); // turn이 j에서 변경될 때까지 대기
            flag[i] = true; // j turn이 끝나면 다시 진입 시도
        }
    }
}

// ------- 임계 구역 ---------

turn = j; // 임계 구역 사용 끝나면 turn을 넘김
flag[i] = false; // flag 값을 false로 바꿔 임계 구역 사용 완료를 알림

2. 피터슨(Peterson) 알고리즘
   데커와 유사하지만, 상대방 프로세스/스레드에게 진입 기회를 양보하는 것에 차이가 있음

while(true) {
    flag[i] = true; // 프로세스 i가 임계 구역 진입 시도
    turn = j; // 다른 프로세스에게 진입 기회 양보
    while(flag[j] && turn == j) { // 다른 프로세스가 진입 시도하면 대기
    }
}

// ------- 임계 구역 ---------

flag[i] = false; // flag 값을 false로 바꿔 임계 구역 사용 완료를 알림

3. 제과점(Bakery) 알고리즘
   여러 프로세스/스레드에 대한 처리가 가능한 알고리즘, 가장 작은 수의 번호표를 가지고 있는 프로세스가 임계 구역에 진입한다.

while(true) {
    
    isReady[i] = true; // 번호표 받을 준비
    number[i] = max(number[0~n-1]) + 1; // 현재 실행 중인 프로세스 중에 가장 큰 번호 배정 
    isReady[i] = false; // 번호표 수령 완료
    
    for(j = 0; j < n; j++) { // 모든 프로세스 번호표 비교
        while(isReady[j]); // 비교 프로세스가 번호표 받을 때까지 대기
        while(number[j] && number[j] < number[i] && j < i);
        
        // 프로세스 j가 번호표 가지고 있어야 함
        // 프로세스 j의 번호표 < 프로세스 i의 번호표
    }
}

// ------- 임계 구역 ---------

number[i] = 0; // 임계 구역 사용 종료