[OS] 동기화, 세마포어, 뮤텍스

mingsso·2023년 11월 16일

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1️⃣ 동기화 (Synchronized)

여러 프로세스들이 공유 자원에 동시에 접근하려고 하는 상황(IPC의 shared memory 등)을 경쟁 상태라고 하는데, 경쟁 상태에서는 어떤 프로세스가 마지막으로 데이터를 접근했는지에 따라 데이터의 상태가 달라지게 됨 -> 데이터의 일관성을 보장할 수 없어짐!

프로세스들의 실행 순서를 정하여 공유 자원의 일관성을 보장하는 것을 동기화라고 함

물론 스레드 동기화도 존재함
멀티 스레드 프로세스의 경우, 두 개 이상의 스레드가 공유 데이터에 동시에 접근하게 되면 예상과 벗어난 결과가 나타날 수 있음

-> 이때 공유 자원에 접근하는 임계영역을 동기화 기법으로 잘 제어해 의도한 대로 동작하는 것을 Thread-Safe라고 함

경쟁상태 (Race Condition)

두 개 이상의 프로세스가 공통 자원에 동시에 접근했을 때, 공용 데이터에 대한 접근이 어떤 순서에 따라 이루어졌는지에 따라 그 실행 결과가 같지 않고 달라지는 상황

임계영역

2개 이상의 프로세스가 공유 자원에 접근해서 실행 결과가 달라지게 될 수 있는 영역
즉, 프로세스 실행 순서에 따라 결과가 달라질 수 있으므로 임계 영역에서는 단 하나의 프로세스만 실행하도록 보장해야 함

entry section(진입 영역) - 임계 영역에 들어가기 위해 요청하는 영역 (동기화 객체가 요구됨)
critical section(임계 영역) - 데이터의 일관성이 중요하기 때문에 하나의 프로세스만 접근해야 하는 영역
exit section(퇴장 영역) - 임계 영역이 끝났음을 알리는 영역 (동기화 객체를 해제하게 됨)

임계 영역에서 단 하나의 프로세스만 실행하기 위해서는 다음 3가지 조건을 충족해야 함

상호배제 (Mutual Exclusion)
한 프로세스가 임계 영역에 들어가면 다른 프로세스는 임계 영역에 들어갈 수 없어야 함
해당 조건이 지켜지지 않으면 경쟁 상태에 빠지게 됨

한정 대기 (Bounded Waiting)
한 프로세스만 계속 임계 영역을 수행하는 기아 문제를 방지하기 위해, 한 번 임계 영역에 들어간 프로세스는 한정(bound)를 두어 다른 프로세스도 해당 임계 영역을 수행할 수 있도록 함

진행 (Progress)
어떠한 프로세스도 임계 영역을 수행하고 있지 않을 때, 임계 영역에 접근하고자 하는 프로세스가 있다면 해당 프로세스를 임계 영역에 들어갈 수 있게 해야 함
(아무도 임계 영역에 없는데 프로세스가 임계 영역에 못 들어 가면 안됨)
해당 조건이 지켜지지 않으면 교착 상태가 발생할 수 있음

2️⃣ 뮤텍스 (Mutex)

임계 영역에 진입하기 위해서는 락을 획득해야 하고, 빠져나올 때는 반드시 락을 반환해야 함
뮤텍스 락은 기본적으로 acquire 함수를 통해 락을 획득하고 release 함수를 통해 락을 반환하며, available이라는 변수를 가지고 락의 사용 가능 여부를 표시함

예시) 화장실이 하나밖에 없는 식당
화장실을 가기 위해서는 카운터에서 열쇠를 받아가야 할 때, 카운터에 열쇠가 없다면 화장실에 사람이 있다는 
뜻이므로 사람이 나올 때까지 기다려야 함. 사람이 나오면 맨 앞 사람이 키를 받아 화장실에 갈 수 있음

3️⃣ 세마포어 (Semaphore)

사용하고 있는 스레드/프로세스의 수를 공통으로 관리하는 하나의 값을 이용해 상호배제를 달성함
공유 자원에 접근할 수 있는 프로세스의 최대 허용치만큼 동시에 사용자가 접근할 수 있음
각 프로세스는 세마포어의 값을 확인하고 변경할 수 있음

예시) 화장실이 여러 개 있는 식당
화장실에는 여러 개의 칸이 있고 화장실 입구에는 현재 화장실의 빈 칸 개수를 보여주는 전광판이 있을 때

세마포어 S는 wait()와 signal()로만 접근이 가능하며, wait()는 S의 값을 감소시키고, signal은 S의 값을 증가시킴 (S가 0이 되면 모든 자원이 사용 중인 것!)
이진 세마포어는 0과 1 값만 가지기 때문에 뮤텍스와 유사하게 동작하지만, 카운팅 세마포어는 제한 없는 값을 사용함

4️⃣ 뮤텍스와 세마포어의 차이점

뮤텍스는 동기화 대상이 오직 1개일 때만 사용할 수 있지만, 세마포어는 동기화 대상이 1개 이상일 경우에도 사용 가능함
뮤텍스는 소유하고 있는 스레드 본인만이 뮤텍스 락을 해제할 수 있지만, 세마포어는 세마포어를 소유하지 않은 스레드가 세마포어를 해제할 수 있음
뮤텍스는 프로세스의 범위를 가지며 프로세스 종료될 때 자동으로 초기화되지만, 세마포어는 시스템 범위에 걸쳐 있고, 파일 시스템 상의 파일로 존재함

+) ThreadLocal은 오직 한 스레드에 의해서 읽고 쓰여질 수 있는 변수, 즉 일반 변수의 수명은 특정 코드 블록 범위 내에서만 유효하지만 스레드로컬 변수는 특정 스레드가 실행하는 모든 코드에서 그 스레드에 설정된 변수 값을 사용할 수 있음
-> ThreadLocal 변수는 공유 자원이 아님

5️⃣ 모니터 (Monitor)

뮤텍스 락 혹은 세마포어를 사용할 때에도 타이밍 오류는 여전히 발생할 수 있음
ex) wait()과 signal() 연산의 순서가 뒤바뀌는 경우 등
이러한 오류를 방지하기 위해, 자바에서는 고급 언어 구조물인 모니터를 제공함

하나의 데이터(객체)마다 하나의 모니터를 결합할 수 있으며, 모니터는 결합된 객체가 동시에 두 개 이상의 스레드에 의해 접근할 수 없도록 막는 잠금 기능을 제공함으로써 동기화를 수행함
자바에서는 synchronized 메소드가 선언된 객체와 synchronized 블럭에 의해 동기화되는 모든 객체에 고유한 모니터가 결합이 되어 동기화 작업을 수행하게 됨 -> wait(), notify(), notifyAll()은 모두 synchronized 블록에만 유의미함
보통 하나의 프로세스 내에서 다른 스레드 간 동기화를 할 때 사용됨

구현

공유 자원, 공유 자원 접근 함수로 이루어져 있고, 2개의 큐를 가지고 있음

상호 배타 큐(Mutual Exclusion Queue) - 공유 자원에 하나의 스레드만 진입하도록 하기 위한 큐로, 공유 자원을 사용하는 스레드가 존재함
조건 동기 큐(Conditional Synchronization Queue) - 공유 자원의 락이 해제되기를 기다리는 스레드가 대기하는 큐
wait() - 락을 가진 스레드가 다른 스레드에 락을 넘겨준 다음 대기해야 할 때 사용함
notify() - 대기하고 있는 스레드 중 하나를 깨움
notifyAll() - 대기하고 있는 스레드 모두를 깨움