뮤텍스와 세마포어의 개념을 단순 글로만 먼저 봤을 땐 , 이해가 어려워 시뮬레이션을 통해 이해를 한 다음에 개념에 대해 정리해보도록 하겠습니다.
뮤텍스(Mutex)와 세마포어(Semaphore)의 차이
🚻 Toilet problem
동시성 프로그래밍의 가장 큰 숙제는 ‘공유자원 관리’일 것이다. 공유자원을 안전하게 관리하기 위해서는 상호배제(Mutual exclusion)를 달성하는 기법이 필요하다.
뮤텍스와 세마포어는 이를 위해 고안된 기법으로 서로 다른 방식으로 상호배제를 달성한다. 오늘은 이 둘의 차이를 알아보자.
Mutex
뮤텍스는 화장실이 하나 뿐이 없는 식당과 비슷하다. 화장실을 가기 위해서는 카운터에서 열쇠를 받아 가야 한다.
당신이 화장실을 가려고 하는데 카운터에 키가 있으면 화장실에 사람이 없다는 뜻이고 당신은 그 열쇠를 이용해 화장실에 들어갈 수 있다.
당신이 화장실에서 행복한 시간을 보내고 있는데 다른 테이블에 있는 어떤 남자가 화장실에 가고 싶어졌다. 이 남자는 아무리 용무가 급하더라도 열쇠가 없기 때문에 화장실에 들어갈 수 없다. 결국 남자는 당신이 용무를 마친 후 나올 때까지 카운터에서 기다려야 한다.
곧이어 옆 테이블에 있는 남자도 화장실에 가고 싶어졌고 이 남자 또한 화장실에 들어가기 위해서는 카운터에서 대기해야한다.
이제 당신이 화장실에서 나와 카운터에 키를 돌려놓았다. 이제 기다리던 사람들 중 맨 앞에있던 사람은 키를 받을 수 있고 이를 이용해 화장실에 갈 수 있다.
이것이 뮤텍스가 동작하는 방식이다. 화장실을 이용하는 사람은 프로세스 혹은 쓰레드이며 화장실은 공유자원, 화장실 키는 공유자원에 접근하기 위해 필요한 어떤 오브젝트이다.
즉 뮤텍스는 Key 에 해당하는 어떤 오브젝트가 있으며 이 오브젝트를 소유한 (쓰레드,프로세스) 만이 공유자원에 접근할 수 있다.
Semaphore
세마포어는 손님이 화장실을 좀 더 쉽게 이용할 수 있는 레스토랑이다. 세마포어를 이용하는 레스토랑의 화장실에는 여러 개의 칸이 있다. 그리고 화장실 입구에는 현재 화장실의 빈 칸 개수를 보여주는 전광판이 있다.
만약 당신이 화장실에 가고 싶다면 입구에서 빈 칸의 개수를 확인하고 빈 칸이 1개 이상이라면 빈칸의 개수를 하나 뺀 다음에 화장실로 입장해야 한다. 그리고 나올 때 빈 칸의 개수를 하나 더해준다.
모든 칸에 사람이 들어갔을 경우 빈 칸의 개수는 0이 되며 이때 화장실에 들어가고자 하는 사람이 있다면 빈 칸의 개수가 1로 바뀔 때까지 기다려야 한다.
사람들은 나오면서 빈 칸의 개수를 1씩 더한다. 그리고 기다리던 사람은 이 숫자에서 다시 1을 뺀 다음 화장실로 돌진한다.
이처럼 세마포어는 공통으로 관리하는 하나의 값을 이용해 상호배제를 달성한다.
세마포어도 아까와 똑같이 화장실이 공유자원이며 사람들이 쓰레드, 프로세스이다. 그리고 화장실 빈칸의 개수는 현재 공유자원에 접근할 수 있는 쓰레드,프로세스의 개수를 나타낸다.
개념 정리
세마포어 : 공유된 자원의 데이터 혹은 임계영역(Critical Section) 등에 여러 Process 혹은 Thread가 접근하는 것을 막아줌(즉, 동기화 대상이 하나 이상)
임계 구역(Critical Section)
여러 프로세스가 데이터를 공유하며 수행될 때, 각 프로세스에서 공유 데이터를 접근하는 프로그램 코드 부분
공유 데이터를 여러 프로세스가 동시에 접근할 때 잘못된 결과를 만들 수 있기 때문에, 한 프로세스가 임계 구역을 수행할 때는 다른 프로세스가 접근하지 못하도록 해야 한다.
세마포어 P, V 연산
P : 임계 구역 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 )
구현 방법
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 V이를 통해, 한 프로세스가 P 혹은 V를 수행하고 있는 동안 프로세스가 인터럽트 당하지 않게 된다. P와 V를 사용하여 임계 구역에 대한 상호배제 구현이 가능하게 되었다.
뮤텍스 : 임계 구역을 가진 스레드들의 실행시간이 서로 겹치지 않고 각각 단독으로 실행되게 하는 기술
상호 배제(Mutual Exclusion)의 약자임
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
정리
뮤텍스: 한 쓰레드, 프로세스에 의해 소유될 수 있는 Key🔑를 기반으로 한 상호배제기법
세마포어: Signaling mechanism. 현재 공유자원에 접근할 수 있는 쓰레드, 프로세스의 수를 나타내는 값을 두어 상호배제를 달성하는 기법
💡 뮤텍스(Mutex)와 세마포어(Semaphore)의 차이에 대해 설명해주세요.
뮤텍스는 Lock을 사용해 하나의 프로세스나 쓰레드를 단독으로 실행하게 합니다. 반면에 세마포어는 공유자원에 세마포어 변수만큼의 프로세스(또는 쓰레드)가 접근할 수 있습니다.
세마포어의 변수 → 공유자원의 개수를 나타내는 변수
현재 수행중인 프로세스가 아닌 다른 프로세스가 세마포어를 해제할 수 있습니다.하지만 뮤텍스는 락(lock)을 획득한 프로세스가 반드시 그 락을 해제해야 합니다.
참고
https://github.com/gyoogle/tech-interview-for-developer/blob/master/Computer%20Science/Operating%20System/Semaphore%20%26%20Mutex.md
https://worthpreading.tistory.com/90
