프로세스간 공유메모리를 통해 공유된 자원에 여러개의 프로세스가 동시에 접근하면 Critical Section이 발생할 수 있다.
이러한 동시성 프로그래밍의 문제점중 '공유자원 관리'를 위해서 상호배제(Mutual Exclusion)을 만족시키기위해 Mutex와 Semaphore가 고안되었다.

임계영역

• 여러 프로세스가 데이터를 공유하며 수행될 때, 각 프로세스에서 공유데이터를 접근하는 프로그램 코드 블록

• 즉, 여러 프로세스가 동일 자원을 동시에 참조하여 값(공유하는 변수명, 파일 등)이 오염될 위험 가능성이 있는 영역

• 프로그래밍 시, 성능 향상을 위해 임계영역을 최소화하는 설계를 해야 한다.

Mutex

• 한 프로세스 당 key를 부여하여 이를 기반으로 한 상호배제 기법

• key에 해당하는 어떤 객체가 있으며, 이객체를 소유한 스레드/프로세스만이 공유자원 접근이 가능하다.

• 다중 프로세스들의 공유 리소스에대한 접근을 조율하기 위해 동기화(Synchronization) or 락(lock)을 사용

• 즉, 뮤텍스 객체를 두스레드가 동시에 사용이 불가능하다.

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쉬운 설명

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

• 공유자원의 상태를 나타낼 수 있는 카운터라고 생각하면 편할 듯

• 최대 허용치만큼 프로세스를 공유자원에 접근가능하게 한다.

• 각 프로세스는 세마포어 값을 확인하고 변경가능하다.

• 자원을 그만 사용하게되면 대기하던 프로세스가 비어있는 리소스를 사용한다.

• 일반적으로 비교적 긴 시간을 확보하는 리소스에 대해 이용한다.

• 유닉스 프로그래밍에서 세마포어는 운영체제의 리소스를 경쟁적으로 사용하는 다중 프로세스에서 행동을 조정하거나 또는 동기화하는 기술

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쉬운 설명

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.

Mutex vs Semaphore

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

1. 뮤텍스 동기화 대상이 1개일때 사용, 세마포어는 여러개일때 사용

2. 세마포어는 뮤텍스가 될 수 있다. but, 뮤텍스는 세마포어가 될 수 없다.

3. 뮤텍스는 상태가 0,1만 가지기에 lock을 가질 수 있음

4. Mutex는 소유하고 있는 스레드만이 이 Mutex를 해제할 수 있다. 반면, Semaphore는 Semaphore를 소유하지 않는 스레드가 Semaphore를 해제할 수 있다.

5. Semaphore는 시스템 범위에 걸쳐 있고, 파일 시스템 상의 파일로 존재한다. 반면, Mutex는 프로세스의 범위를 가지며 프로세스 종료될 때 자동으로 Clean up 된다.

참고

• https://worthpreading.tistory.com/90 -> 매우큰도움

• https://chelseashin.tistory.com/40 -> 감사합니다.