💿 KAIST:PINTOS | Concept | Mutex

운영체제를 배우다 보면 처음 마주하는 개념 중 하나가 뮤텍스(Mutex)다.
뮤텍스는 여러 스레드가 동시에 어떤 자원(파일, 메모리 등)을 사용하려고 할 때
서로 충돌하지 않도록 도와주는 장치다.

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🔐 뮤텍스는 무엇인가?

뮤텍스(Mutual Exclusion)는 말 그대로 상호 배제라는 뜻이다.
이는 여러 스레드가 동시에 어떤 자원에 접근할 수 없도록 서로 배제하며
한 번에 하나씩만 접근하게 만드는 구조다.

예를 들어 화장실에 문이 하나 있고, 한 사람만 들어갈 수 있다고 상상해보자.
한 사람이 들어가면 문을 잠그고, 다른 사람은 문이 열릴 때까지 기다리는 방식이다.
이 구조가 바로 뮤텍스의 핵심 개념이다.

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🧵 왜 필요한가?

운영체제에서는 여러 스레드가 동시에 돌아간다.
이들이 같은 데이터를 수정하거나 같은 메모리를 사용할 경우, 데이터가 꼬이거나 잘못된 결과를 낼 수 있다.
이런 상황을 경쟁 상태(Race Condition)라고 부른다.

뮤텍스는 이런 문제를 막기 위해, 공유 자원을 잠그는 역할을 한다.
자원을 사용하려는 스레드는 먼저 문을 잠그고(lock), 다 쓰면 문을 열어야(unlock) 다음 사람이 들어갈 수 있다.

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🔁 사용 방식은 어떻게 되나?

뮤텍스는 보통 다음과 같은 흐름으로 사용된다.

lock_acquire(&lock);  // 자원 사용 전 문 잠그기
// 크리티컬 섹션 (공유 자원 접근)
lock_release(&lock);  // 자원 사용 후 문 열기

자원을 쓰기 전엔 꼭 문을 잠가야 하며,
다 쓰고 나면 다른 사람이 들어올 수 있도록 문을 열어야 한다.

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🚽 쉬운 비유: 공중화장실 열쇠

• 열쇠가 하나뿐인 화장실이 있다고 생각해보자.
• 누군가 화장실에 들어가면 열쇠를 가져간다.
• 다른 사람은 열쇠가 돌아올 때까지 기다려야 한다.

뮤텍스는 이 "열쇠"와 같은 존재다.
한 번에 하나의 스레드만 자원을 사용할 수 있게 해주는 장치다.

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🧠 중요한 특징은 무엇인가?

특징	설명
단일 자원 보호	하나의 자원에 한 번에 하나의 스레드만 접근 가능하다.
소유 개념 존재	락을 획득한 스레드만 해제할 수 있다.
간단하고 빠르다	로직이 단순해 빠르게 사용할 수 있다.
데드락 위험도 있다	잠근 채로 unlock하지 않으면 서로 기다리다 멈춰버리는 문제가 생길 수 있다.

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🧪 PintOS에서의 역할은?

PintOS에서는 struct lock이라는 구조체가 뮤텍스 역할을 한다.
내부적으로는 세마포어를 사용하지만, 외부 인터페이스는 뮤텍스처럼 동작한다.

struct lock {
  struct thread *holder;
  struct semaphore semaphore; // 내부 구현은 세마포어지만, 사용 방식은 뮤텍스
};

즉, 우리는 PintOS에서 뮤텍스를 직접 구현하진 않지만, 뮤텍스를 사용하는 것처럼 락을 다루게 된다.

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🔗 세마포어와 어떤 차이가 있을까?

뮤텍스는 한 번에 1개만 자원 사용 가능하도록 설계된 반면,
세마포어는 여러 개의 자원을 동시에 관리할 수 있다.

예를 들어, 주차장에 3개의 빈 공간이 있다면 세마포어를 3으로 설정하면 된다.
세마포어는 다음 글에서 더 자세히 다루도록 하겠다.

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✅ 정리

• 뮤텍스는 서로 동시에 접근하면 안 되는 자원을 안전하게 보호하기 위한 도구다.
• 스레드가 자원에 접근할 때는 뮤텍스로 잠그고, 다 쓰면 다시 열어줘야 한다.
• 운영체제, 특히 PintOS에서는 lock_acquire()와 lock_release()를 통해 뮤텍스를 사용하게 된다.
• 세마포어는 뮤텍스보다 일반화된 개념이며, 다음 글에서 이어서 설명하겠다.