[OS] 뮤텍스(Mutex)와 세마포어(Semaphore)

개념이 생긴 이유

프로세스 간 메세지를 전송, 공유 메모리를 통한 공유된 자원에 여러 개의 프로세스가 동시에 접근하면 Critical Section 문제가 발생할 수 있다.

Critical Section(임계 영역)

Critical: (앞으로의 상황에 영향을 미친다는 점에서) 대단히 중요한

여러 프로세스가 데이터를 공유하며 동작할 때 각 프로세스에서 공유 데이터를 접근하는 프로그램 코드 블록을 말한다.

동일한 자원을 동시에 참조하여 값이 오염될 위험 가능성이 있는 영역을 말한다.

이를 해결하기 위해 데이터를 한 번에 하나의 프로세스만 접근할 수 있도록 제한을 두는 동기화 방식을 취해야 한다.

이 때 대표적인 동기화 방식으로 뮤텍스(Mutex)와 세마포어(Semaphore)가 있다.

뮤텍스(Mutex) 기법

상호 배제(mutual exclusion)을 구현하는 동기화 객체다.

"오직 하나의 스레드" 또는 "오직 하나의 프로세스" 만이 뮤텍스를 소유하고 다른 스레드나 프로세스는 뮤텍스를 획득하기 위해 대기해야 한다.

뮤텍스를 소유하고 있는 스레드가 뮤텍스를 해제하기 전까지 다른 스레드나 프로세스는 해당 자원에 접근할 수 없다.

뮤텍스 적용을 고려할 만한 상황

1) 공유 데이터베이스 접근

- 데이터베이스에 동시 접근으로 인한 데이터 일관성 문제를 방지할 수 있다.

2) 파일 I/O 관리

- 여러 스레드가 동일한 파일에 동시에 쓰기 작업을 방지하여 파일의 일관성 유지 및 데이터 손실을 방지할 수 있다.

3) 자료 구조 보호

- 여러 스레드가 공유 자료 구조(큐, 리스트, 해시 테이블 등)에 동시에 접근하는 경우, 자료 구조에 대한 접근을 동기화할 수 있다.

- 이를 통해 자료 구조의 무결성을 유지하고 동시성 문제를 해결할 수 있다.

Java로 뮤텍스 기법 적용 (java.util.concurrent.locks.ReentrantLock)

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class MutexExample {
    private static final int ITERATIONS = 10000;
    private static int sharedResource = 0;
    private static Lock mutex = new ReentrantLock();
    
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(MutexExample::increment);
        Thread thread2 = new Thread(MutexExample::increment);
        thread1.start();
        thread2.start();
        try {
            thread1.join();
            thread2.join();
        } catch (e) {}
        System.out.println(sharedResource);
    }
    
    public static void increment() {
        for (int i = 0 ; i < ITERATIONS ; i++) {
            mutex.lock();
            try {
                sharedResource++;
            } finally {
                mutex.unlock();
            }
        }
    }
}

java.util.concurrent 패키지의 ReentrantLock 클래스를 사용해서 뮤텍스를 적용한 코드이다.

increment 메서드에서는 공유 자원인 sharedResource에 접근하여 값 1을 더하는 간단한 메서드다.

두 개의 스레드가 각 10000번 씩 increment 메서드를 수행하기 때문에 기대하는 결과 값은 20000이다.

main메서드를 실행해보면 원하는 결과가 콘솔에 출력되는 것을 확인할 수 있다.

뮤텍스를 제거한 후에 동일하게 실행해보자.

public static void increment() {
    sharedResource++;
}

main 메서드를 실행해보면 콘솔에 20000이 아닌 다른 값이 콘솔에 출력되는 것을 볼 수 있다.

세마포어(Semaphore) 기법

카운팅 기반의 동기화 객체

1) 특정 리소스의 사용 가능한 개수를 나타내는 카운터

2) P(Produce) 연산

- 세마포어의 값을 감소시킨다.

- 세마포어의 값이 0보다 작아지면 호출하는 스레드, 프로세스는 대기 상태로 전환된다.

3) V(Verhogen) 연산

- 세마포어의 값을 증가시킨다.

- 대기 중인 스레드, 프로세스 중 하나를 깨우고 실행할 수 있도록 한다.

세마포어 적용을 고려할 만한 상황

1) 제한된 리소스 관리

- 한정된 개수의 공유 자원 접근에 대해 제어할 수 있다.

- 예로 데이터베이스 커넥션 풀을 생각해볼 수 있는데 동시에 데이터베이스에 접근할 수 있는 커넥션 개수를 제한할 수 있다.

- 이를 통해 과도한 커넥션 요청으로 인한 부하를 방지할 수 있다.

2) 스레드 풀 관리

- 스레드 풀에서 작업이 수행되는 동안 세마포어를 사용하여 동시에 실행되는 스레드 수를 제한할 수 있다.

- 스레드 풀의 작업 큐에 새로운 작업을 추가하는데 세마포어를 사용할 수 있다.

3) 작업 큐 관리

- 여러 스레드가 작업 큐에 작업을 넣거나 빼낼 때 세마포어를 사용하여 작업의 동시 실행을 제어할 수 있다.

- 이를 통해 작업 처리의 순서를 조절하거나 병렬 처리의 수를 제한할 수 있다.

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