[OS] 뮤텍스와 세마포어

임계 구역(Critical Section)

공유 자원의 일관성을 보장하기 위해 하나의 프로세스/스레드만 진입해서 실행 가능한 영역

• `공유 자원`: 여러 프로세스 혹은 스레드가 공유하는 자원
  • ex. 전역 변수, 파일, I/O 장치, 보조기억장치 등
• 임계 구역에 진입하고자 하면, 진입한 프로세스 이외의 다른 프로세스는 대기해야 한다.
• 임계 구역에 동시에 접근하면 자원의 일관성이 깨질 수 있다.

 

임계 구역 문제

임계 구역으로 지정되어야 할 코드 영역이 임계 구역으로 지정되지 않았을 때 발생하는 문제

경쟁 상태(Race Condition)

• 여러 프로세스가 공유 자원에 동시에 접근할 때, 접근의 타이밍이나 순서 등이 결괏값에 영향을 줄 수 있는 `경쟁 상태(race condition)`가 발생할 수 있다.

 

임계 구역 문제 해결 조건

임계 구역 문제를 해결하려면 다음 세 가지 조건을 모두 만족해야 한다.

상호 배제(Mutual Exclusion)

• 한 프로세스가 자신의 임계 구역에 있다면 다른 프로세스들은 임계 영역에 진입할 수 없다.

진행(Progress)

• 아무도 임계 구역에 있지 않다면, 진입하고자 하는 프로세스를 진입하게 해줘야 한다.

유한 대기(Bounded Waiting)

• 프로세스가 임계 영역에 진입하기 위해 무한정으로 기다리는 `기아 상태(Starvation)`가 발생해서는 안 된다.
• `기아 상태`: 우선순위에 의하여 특정 프로세스가 원하는 자원을 영원히 할당받지 못하는 상태

 

동기화 도구 - 뮤텍스, 세마포어

• `상호배제`를 달성하기 위한 기법
• `동기화(Synchronization)`: 공유 자원에 동시에 접근하지 못하도록 프로세스의 실행 순서를 제어하여 데이터의 일관성을 유지하는 방법
• 공유 자원의 데이터를 여러 프로세스/스레드가 접근하는 것을 막는다.

 

뮤텍스(Mutex)

`상호배제(Mutual Exclusion)`의 약자로, 말 그대로 상호 배제를 위한 기법
단일 스레드/프로세스만이 공유 자원에 접근할 수 있다.

한 번에 하나만 사용 가능 (lock)

• 단일 스레드/프로세스에 소유될 수 있는 key를 기반으로 하는 방식으로, key에 해당하는 객체를 고유한 스레드/프로세스만이 공유 자원에 접근할 수 있다.
• 공유 자원을 사용하기 전에 lock을 걸고, 사용한 후 잠금을 해제(unlock)한다.
  • 이때 다른 프로세스/스레드는 접근할 수 없다.

mutex = 1;

void lock () {
  while (mutex != 1) 
  {
    // mutex 값이 1이 될 때까지 대기
  }
    // 이 구역에 도착했다는 것은 mutex 값이 1이라는 뜻. 이제 뮤텍스 값을 0으로 만들어 다른 프로세스(혹은 쓰레드)의 접근을 제한
   mutex = 0;
}

void unlock() {
    // 임계 구역에서 수행을 완료한 프로세스는 다른 프로세스가 접근할 개수 있도록 뮤텍스 값을 1으로 만들어 락을 해제.
    mutex = 1;
}

• `mutex == 1`: 임계 구역에 진입할 수 있는 상태
• `mutex == 0`: 임계 구역에 진입할 수 없는 상태 

 

특징 

• 단순하고 직관적
• 주어진 시간에 하나의 스레드만 임계 구역에 있기 때문에 경쟁 상태가 발생하지 않는다.
• 락을 얻지 못하고 무한히 대기할 수 있는 프로세스가 발생할 수 있다.

 

세마포어(Semaphore)

하나 이상의 프로세스/스레드가 임계 영역에 접근할 수 있도록 하는 장치

• 공유자원에 접근할 수 있는 자원의 최댓값을 나타내는 `정수값`을 이용해 상호배제를 달성한다.
  • 최대 허용치만큼 동시에 사용자가 접근할 수 있으며, 각 프로세스는 세마포어의 값을 확인하고 변경할 수 있다. 
• 여러 프로세스/스레드가 동시에 접근할 수 있으므로, 동기화 대상이 둘 이상일 때 사용한다.

 

세마포어 접근 함수 - `wait()`, `signal()`

• `wait()`
  • 사용 가능한 공유 자원이 있으면 세마포어 변수를 -1 처리한 후 사용한다.
  • 사용 가능한 공유 자원이 없으면 기다린다.
• `signal()`
  • 공유 자원을 모두 사용한 후 세마포어 변수를 +1 처리한다.
  • 공유 자원 사용을 완료했다는 신호를 보낸다.

// Shared Data
semaphore mutex; // 세마포어 변수 mutex의 초기값은 자원의 갯수를 의미.

// Process P
do {
	wait(mutex);
    	/* critical section */
        
	signal(mutex);
    	/* remainder section */	
} while (1);

// fun wait()
fun wait(S) {
	while(S <= 0);
    S--;
}

// fun signal()
fun signal(S) {
	S++;
}

 

세마포어를 활용한 실행 순서 동기화 방법

1. 세마포 변수 S를 0으로 초기화
2. 먼저 실행할 프로세스 뒤에 signal 함수 호출
3. 다음에 실행할 프로세스 앞에 wait 함수 호출

P1이 먼저 실행되도록 하고 싶을 때

이렇게 설정하면 P2가 먼저 실행되더라도 P2는 `wait()` 함수를 만나므로 P1이 먼저 임계 구역에 진입하게 된다.

 

 

세마포어 종류

• 이진(Binary) 세마포어: 이진값(0 또는 1)만 가질 수 있다. (초깃값은 1)
• 카운팅(Counting) 세마포어: 음수 이외의 값으로 초기화될 수 있다.

뮤텍스와 이진 세마포어는 같은 것일까❓

둘 다 임계 구역에 하나의 스레드만 접근하도록 보장하기 때문에, 둘이 같다고 보는 의견도 많다.
하지만 뮤텍스는 락을 가진 자만이 락을 해제할 수 있지만, 세마포어는 락을 설정한 프로세스와 해제하는 프로세스가 다를 수 있다는 차이점이 있기 때문에 다른 것으로 봐야한다고 생각한다.

이러한 특징 때문에 뮤텍스는 자원의 일관성을 유지할 수 있으며, 단일 리소스 보호에 특화되어 있기 때문에 단일 임계 구역을 관리하기 위한 목적이라면 이진 세마포어보다 뮤텍스가 더 적합해 보인다.

🔗 https://stackoverflow.com/questions/62814/difference-between-binary-semaphore-and-mutex

 

특징

• 여러 프로세스/스레드가 임계 영역에 접근할 수 있다.
• 다중 리소스를 관리하기 때문에 뮤텍스에 비해 더 많은 오버헤드가 발생한다.

 

뮤텍스 vs 세마포어

차이점 비교

• 뮤텍스는 동기화 대상이 1개일 때, 세마포어는 1개 이상일 때 사용한다.
• 뮤텍스는 객체이고, 세마포어는 정수 변수이다.
• 뮤텍스는 락을 소유하고 있는 프로세스/스레드만이 락을 해제할 수 있지만, 세마포어는 락을 걸지 않은 프로세스/스레드도 락을 해제할 수 있다.

https://www.youtube.com/watch?v=NL9JQh5bbZ8

 

적합한 상황

• 1개의 자원에 대한 상호 배제만 필요하다면 뮤텍스
• 공유 자원 접근 수를 조절하고, 작업 간의 실행 순서 동기화가 필요하다면 세마포어

 

Ref

https://hudi.blog/race-condition-critical-section-mutual-exclusion/

https://nice-engineer.tistory.com/entry/%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C-%EC%84%B8%EB%A7%88%ED%8F%AC%EC%96%B4Semaphore-%EB%AE%A4%ED%85%8D%EC%8A%A4Mutex

https://www.joinc.co.kr/w/Site/Thread/Beginning/Mutex

https://codegym.cc/ko/groups/posts/ko.220.myutegseu-moniteo-mich-semapo-eoui-chaijeom

https://medium.com/@kwoncharles/%EB%AE%A4%ED%85%8D%EC%8A%A4-mutex-%EC%99%80-%EC%84%B8%EB%A7%88%ED%8F%AC%EC%96%B4-semaphore-%EC%9D%98-%EC%B0%A8%EC%9D%B4-de6078d3c453

https://www.youtube.com/watch?v=NL9JQh5bbZ8

https://www.guru99.com/ko/mutex-vs-semaphore.html#key-difference-between-mutex-and-semaphore

https://mierminusone.tistory.com/4