[운영체제] 세마포어와 뮤텍스

Letmegooutside·2022년 1월 17일

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Semaphore (세마포어)

정수값을 갖는 변수이며 자원의 개수를 의미한다

동기화 기법 중 추상적인 방법이며 여러 프로세스들에 의해 공유되는 변수로 정의된다.
이 변수는 오직 wait와 signal이라는 atomic한 연산에 의해서만 접근이 가능하다.

세마포어의 개수에 따라 counting semaphore(0~n, 시스템 내 가용한 자원의 수를 나타냄)와 binary semaphore(0 or 1 , 뮤텍스와 같음)로 나뉜다.

Busy-Wait 방식

자원이 모두 사용중이라면 프로스세가 wait하는 방식이다.

s = 자원의 수;

wait(s){
  while(s <= 0) ; //busy waiting s가 1 이상이면 빠져나옴
  s--; // 자원 획득
}

signal(s){
  s++; // 자원 반납
}

만약 자원의 여유가 생기면 s--를 통해 자원을 획득한다.
그리고 자원을 모두 사용했다면 s++을 통해 자원을 반납한다.

do {
   wait(s);
   //ciritical section
   signal(s);
  //remainder section
} while(1);

s를 1로 초기화 했을 때(사용가능한 자원의 개수로 초기화 한다), 처음 P1이 critical section에 진입하면 wait 연산을 거쳐서 s가 0이 된다.
이 때 다른 프로세스 P2가 진입하려 하면 s는 0이므로 P1이 ciritical section에서 나와서 signal 연산을 하기 전 까지 busy waiting을 하게 된다.

busy waiting : ciritical section에 진입시도를 반복하는 것

Block-Wakeup 방식

type struct{
  int value;         // Semaphore
  struct process *Q;      // Wait Queue
}semaphore;

이 방식은 먼저 위와 같이 세마포어를 정의한다.

wait(s){
 // 나 자원 쓸래
  s.value--;
 // 근데 없으면
  if(s.value < 0){
    // 큐에 걸어놓고 자고 있어야지
    // add this process to s.queue; 
    block();
  }
}

signal(s){
 // 나 다썼어
  s.value++;
 // 근데 없네 누가 쓰려고 큐에서 기다리나보다
  if(s.value <= 0){
    // remove a process P from s.queue;
    // 깨우기. 너 쓸 차례야
    wakeup(P);
  }
}

먼저 자원의 값을 감소시킨다.
만약 자원의 개수가 부족해 사용할 수 없다면 현재 프로세스를 wait queue에 추가시킨 후 block()을 통해 suspend시킨다.

만약 다른 프로세스가 작업을 완료하여 자원의 값을 증가시키며 반납했을 때, 자원의 수가 없다면 이는 현재 자원을 기다리는 프로세스가 존재한다는 뜻이다.
따라서 wait queue에서 프로세스를 꺼내와 wakeup()을 통해 깨우게 되는 것이다.

Busy-wait vs Block-wakeup
ciritical secion의 길이가 긴 경우에는 block-wakeup방식이 유리하다.
하지만 ciritical section의 길이가 짧다면 잦은 문맥 교환으로 인해 오버헤드가 증가하게 된다.
따라서 반대의 경우에는 busy-wait방식이 유리하다.

Mutex (뮤텍스)

상호배제를 뜻하며 Binary Semaphore와 같은 의미이다. 따라서 자원에 단 하나의 작업만이 접근할 수 있다

운영체제 커널에 의해 제공되어 무겁고 느리다.

mutex = 1;

void lock () {
   while (mutex != 1) {
       // mutex 값이 1이 될 때까지 기다린다
    }
    // 이 구역에 도착했다는 것은 mutex 값이 1이라는 것이다. 
    // 따라서 이제 뮤텍스 값을 0으로 만들어 
    // 다른 프로세스(혹은 쓰레드)가 접근하지 못하도록 막아야 한다.
    mutex = 0;
}

void unlock() {
   // 임계 구역에서 나온 프로세스는
   // 다른 프로세스가 접근할 수 있도록 락을 해제한다. 
   mutex = 1;
}