병행 프로그래밍에서 동시에 여러 프로세스나 스레드가 접근할 때 발생할 수 있는 경합 상태(race condition)을 방지하는 방법을 알아보도록 하겠습니다
Race condition을 방지하기 위해 충족되어야 하는 3가지 조건이 있습니다.
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Mutual Exclusuin (상호 배제)
- 상호 배제는 동시에 하나의 프로세스만이 임계 구역에 진입할 수 있도록 보장하는 조건입니다.
- 여기서, 임계 구역(Critical Section)은 공유 자원을 접근하거나 수정하는 코드 영역입니다.
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Progress (진행)
- 진행 조건은 임계 구역에 들어가기를 원하는 프로세스가 있으면, 반드시 어느 한 프로세스가 임계 구역에 들어갈 수 있어야 한다는 조건입니다.
- 이 조건은 임계 구역에 진입하지 않으려는 프로세스가 임계 구역에 진입하고자 하는 프로세스의 방해를 하지 않도록 보장합니다.
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Bounded Waiting (한정 대기)
- 한정 대기 조건은 특정 프로세스가 임계 구역에 들어가기를 원하면, 다른 프로세스들이 임계 구역에 들어가는 횟수에 상한을 두는 조건입니다.
- 즉, 어떤 프로세스가 임계 구역에 들어가기 위해 무한정 기다리지 않도록 보장합니다.
이 세 가지 조건을 충족시키기 위해, Mutex(뮤텍스)와 Semaphore(세마포어)와 같은 동기화 도구를 사용하여 구현할 수 있습니다. 이제 이 두 개념과 구현 예시를 통해, 코드에서 Race Condition을 어떻게 방지하는지 자세히 알아보겠습니다.
Mutex
뮤텍스는 한 번에 하나의 스레드만이 자원에 접근할 수 있도록 보장합니다. C언어에서 'pthread_mutex_t' 타입을 사용하여 이를 구현합니다.
1. pthread_mutex_init()
뮤텍스 객체를 생성하고 초기화합니다. 기본 속성 또는 사용자 정의 속성으로 초기화할 수 있습니다.
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int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t mutex, const pthread_mutexattr_t attr)
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파라미터 정보:
- mutex: 초기화할 뮤텍스 객체에 대한 포인터
- attr: 뮤텍스 속성 객체에 대한 포인터. 기본 속성을 사용하려면 'NULL'로 설정
예시:
pthread_mutex_t lock; pthread_mutex_init(&lock, NULL);
2. pthread_mutex_destroy
뮤텍스 객체를 파괴하고 관련된 리소스를 해제합니다. 초기화된 뮤텍스를 해제하여 자원을 반환합니다.
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int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)
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파라미터 정보:
- mutex: 해제할 뮤텍스 객체에 대한 포인터
예시:
pthread_mutex_destroy(&lock)
3. pthread_mutex_lock()
해당 뮤텍스를 잠금으로써 다른 스레드가 임계 구역에 접근하지 못하게 합니다. 뮤텍스가 이미 잠겨있으면 스레드는 블록됩니다.
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int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)
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파라미터 정보:
- mutex: 잠그려는 뮤텍스 객체에 대한 포인터. 해당 뮤텍스가 잠길 때까지 호출된 스레드는 블록된다.
예시:
pthread_mutex_lock(&lock);
4. pthread_mutex_unlock()
잠겨 있던 뮤텍스를 해제하여 다른 스레드가 임계 구역에 접근할 수 있게 합니다.
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int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)
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파라미터 정보:
- mutex: 잠금을 해제할 뮤텍스 객체에 대한 포인터
예시:
pthread_mutex_unlock(&lock);
정리
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
pthread_mutex_t lock;
void* thread_func(void* arg);
int main() {
pthread_t t1, t2;
int id1 = 1, id2 = 2;
// 뮤텍스 초기화
pthread_mutex_init(&lock, NULL);
// 두 개의 스레드 생성
pthread_create(&t1, NULL, thread_func, &id1);
pthread_create(&t2, NULL, thread_func, &id2);
// 두 스레드가 종료될 때까지 기다림
pthread_join(t1, NULL);
pthread_join(t2, NULL);
pthread_mutex_destroy(&lock);
return 0;
}
void* thread_func(void* arg) {
// 뮤텍스를 잠금
pthread_mutex_lock(&lock);
// 임계 구역 진입
printf("Thread %d in critical section\n", *(int*)arg);
// 뮤텍스 잠금 해제
pthread_mutex_unlock(&lock);
return NULL;
} 1. pthread_mutex_init(&lock, NULL):
lock이라는 뮤텍스를 초기화
2. pthread_create(&t1, NULL, thread_func, &id1):
첫 번째 스레드를 생성하여 thread_func을 실행하고, 스레드 식별자를 통해 스레드에 id1 값을 전달
3. pthread_create(&t2, NULL, thread_func, &id2):
두 번째 스레드를 생성하여 thread_func을 실행 후 스레드 식별자를 통해 스레드에 id2 값을 전달
4. pthread_join(t1, NULL):
첫 번째 스레드가 종료될 때까지 대기
5. pthread_join(t2, NULL):
두 번째 스레드가 종료될 때까지 대기
6. pthread_mutex_destroy(&lock):
lock 뮤텍스를 소멸시킴
thread_func 함수는 뮤텍스를 잠금으로 설정한 후, 임계 구역에 진입하여 "Thread X in critical section"을 출력하고, 뮤텍스 잠금을 해제합니다. 이로 인해 두 스레드는 동시에 임계 구역에 진입하지 못하고, 하나씩 차례로 임계 구역에 진입합니다.
Semaphore
세마포어는 자원에 대한 접근을 신호화(signaling)하고 제어하기 위해 사용됩니다. 이름 있는 세마포어와 이름 없는 세마포어의 두 가지 종류가 있습니다.
Named Semaphores
1. sem_open()
지정된 이름을 가진 세마포어를 생성하거나 열어서 세마포어 객체에 대한 포인터를 반환합니다. 필요한 경우 초기 값을 설정합니다.
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sem_t sem_open(const char name, int oflag)
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파라미터 정보:
- name: 세마포어의 이름
- oflag: 세마포어가 생성될 때 사용하는 플레그. 'O_CREAT'와 같은 플래그를 사용
예시:
sem_t *sem = sem_open("/example_sem", O_CREAT, 0644, 1);
2. sem_close()
세마포어 객체를 닫고, 프로그램이 더 이상 해당 세마포어를 사용하지 않음을 나타냅니다.
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int sem_close(sem_t *sem)
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파라미터 정보:
- sem: 닫을 세마포어 객체에 대한 포인터
예시:
sem_close(sem);
3. sem_unlink()
세마포어 이름과 관련된 시스템 자원을 해제합니다. 세마포어가 더 이상 사용되지 않도록 합니다.
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int sem_unlink(const char *name)
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파라미터 정보:
- name: 삭제할 세마포어의 이름
예시:
sem_unlink("/example_sem");
Unnamed Semaphores
1. sem_init()
세마포어 객체를 생성하고 초기 값으로 초기화합니다. 프로세스 간 또는 스레드 간 공유 여부를 설정합니다.
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int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value)
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파라미터 정보:
- sem: 초기화할 세마포어 객체에 대한 포인터
- pshared: 세마포어가 프로세스 간에 공유될지 여부 (0은 스레드 간 공유, 1은 프로세스 간 공유)
- value: 세마포어의 초기 값
예시:
sem_t sem; sem_init(&sem, 0, 1);
2. sem_destroy()
세마포어 객체를 파괴하고 관련된 리소스를 해제합니다.
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int sem_destroy(sem_t *sem)
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파라미터 정보:
- sem: 해제할 세마포어 객체에 대한 포인터
예시:
sem_destroy(&sem);
3. sem_wait()
세마포어 값을 감소시키며, 값이 0 이하이면 스레드는 블록됩니다. 자원이 사용 가능해질 때까지 대기합니다.
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int sem_wait(sem_t *sem)
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파라미터 정보:
- sem: 감소할 세마포어 객체에 대한 포인터. 세마포어 값이 0이면 호출된 스레드는 블록
예시:
sem_wait(&sem);
4. sem_post()
세마포어 값을 증가시켜 대기 중인 스레드 중 하나를 깨워서 자원에 접근할 수 있게 합니다.
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int sem_post(sem_t *sem)
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파라미터 정보:
- sem: 증가할 세마포어 객체에 대한 포인터
예시:
sem_post(&sem);
정리
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
sem_t sem;
void* thread_func(void* arg);
int main() {
pthread_t t1, t2;
int id1 = 1, id2 = 2;
// 세마포어 초기화 (초기값 1)
sem_init(&sem, 0, 1);
// 두 개의 스레드 생성
pthread_create(&t1, NULL, thread_func, &id1);
pthread_create(&t2, NULL, thread_func, &id2);
// 두 스레드가 종료될 때까지 기다림
pthread_join(t1, NULL);
pthread_join(t2, NULL);
sem_destroy(&sem);
return 0;
}
void* thread_func(void* arg) {
// 세마포어 대기
sem_wait(&sem);
// 임계 구역 진입
printf("Thread %d in critical section\n", *(int*)arg);
// 세마포어 해제
sem_post(&sem);
return NULL;
}1. sem_init(&sem, 0, 1):
sem이라는 세마포어를 초기화, 초기값은 1
2. pthread_create(&t1, NULL, thread_func, &id1):
첫 번째 스레드를 생성하여 thread_func을 실행. 스레드 식별자를 통해 스레드에 id1 값을 전달
3. pthread_create(&t2, NULL, thread_func, &id2):
두 번째 스레드를 생성하여 thread_func을 실행. 스레드 식별자를 통해 스레드에 id2 값을 전달
4. pthread_join(t1, NULL):
첫 번째 스레드가 종료될 때까지 대기
5. pthread_join(t2, NULL):
두 번째 스레드가 종료될 때까지 대기
6. sem_destroy(&sem):
sem 세마포어를 소멸시킴
thread_func 함수는 세마포어를 대기(sem_wait) 상태로 설정한 후, 임계 구역에 진입하여 "Thread X in critical section"을 출력하고, 세마포어를 해제(sem_post)합니다. 이로 인해 두 스레드는 동시에 임계 구역에 진입하지 못하고, 하나씩 차례로 임계 구역에 진입합니다.
Mutex & Semaphore 차이점
Mutex
- 한 번에 하나의 스레드만 자원에 접근할 수 있도록 보장
- 같은 프로세스 내의 스레드를 동기화할 때 주로 사용
- 상호 배제를 보장하는 데 세마포어보다 경량화되고 빠름
Semaphore
- 자원에 대한 접근을 신호화하고 제어
- 리소스 풀 관리 (ex: 제한된 수의 자원 관리)
- 이름 있는 세마포어를 사용해서 프로세스 간 동기화 가능
- 이름 없는 세마포어를 사용해서 같은 프로세스 내에서 동기화 가능
선택 기준?
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Mutex를 사용할 때:
- 상호 배제를 통해 임계 구역을 보호해야 할 때
- 같은 프로세스 내에서 동기화를 해야 할 때
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Semaphore를 사용할 때:
- 유한한 수의 자원에 대한 접근을 동기화해야 할 때
- 스레드나 프로세스 간의 신호를 구현해야 할 때
- 프로세스 간 동기화를 위해 이름 있는 세마포어를 사용해야 할 때
