[운영체제] 뮤텍스(Mutex)와 세마포어(Semaphore) - 동기화

• 교착 상태: https://zu-techlog.tistory.com/128

[운영체제] 교착 상태 (Dead Lock, 데드락)

• 임계 영역과 경쟁 상태: https://zu-techlog.tistory.com/129

[운영체제] 임계 영역(Critical Section)과 경쟁 상태(Race Condition)

 

뮤텍스(Mutex)

• Key에 해당하는 오브젝트를 소유한 프로세스/스레드(이하 스레드) 만이 공유 자원에 접근할 수 있도록 하는 알고리즘
• 공유 자원을 lock()을 통해 잠금하고, unlock()을 통해 잠금을 해제
• 공유 자원에 대해 다중 스레드들의 접근을 조율하기 위해 동기화 또는 락 사용
• 잠금이 설정되면 다른 스레드는 잠금이 해제될 때까지 해당 영역에 접근할 수 없음 (동시 사용 불가)
• 공유 자원을 사용 중인 스레드가 있을 때 다른 스레드가 공유 자원에 접근하면 Blocking 후 대기 큐로 보내 sleep 시킴
• 잠금 또는 잠금 해제라는 상태만을 가지는 Boolean 타입의 Lock 변수 사용
• 공유 자원을 점유하는 스레드는 Key를 가지며 잠금 설정을 하고, 잠금 해제 시에는 Key를 다음 대기 스레드에게 반납
• Lock을 건 스레드 만이 Lock을 해제할 수 있음

과정 예시

1. 1번 프로세스가 자원을 접근하기 위해 Key를 점유한 후 공유 자원 이용
2. 2번 프로세스는 공유 자원을 사용하기 위해 대기 (sleep)
3. 3번 프로세스 또한 공유 자원을 사용하기 위해 2번 프로세스 다음 순번으로 대기
4. 1번 프로세스가 공유 자원을 모두 사용하고 Key를 반환
5. 2번 프로세스는 대기하고 있다가 반환된 Key를 점유하고 공유 자원을 사용

※ 스핀락(Spinlock)과의 차이
스핀락(Spinlock)은 락을 가지고 공유 자원에 진입할 수 있을 때까지 계속해서 진입을 시도하며 기다리기 때문에 CPU 낭비 발생
뮤텍스(Mute)는 Lock 변수를 통해 공유 자원에 진입이 불가함이 확인 되면 대기 큐로 들어가 sleep하기 때문에 효율적

 

 

세마포어(Semaphore)

• 공유 자원에 접근할 수 있는 최대 허용치 만큼 프로세스/스레드(이하 스레드)의 동시 접근을 허용하는 알고리즘
• 0이상의 정수를 담고 있는 세마포어 변수를 통해 wait과 signal 관리
• 접근 가능한 공유 자원의 수가 1개일 때는 이진 세마포어로 뮤텍스처럼 사용할 수 있음
• Lock을 걸지 않은 스레드도 Signal을 보내 Lock을 해제할 수 있음
• 스레드가 공유 자원을 이용할 때 허용 접근 수(세마포어 변수)는 1 감소하고, 공유 자원을 빠져나올 때는 1 증가

과정 예시

1. 공유 자원에 대한 최대 허용치를 정의 -> 허용치: 3
2. 1번 프로세스가 공유 자원에 접근 -> 허용치 2로 감소
3. 2번 프로세스가 공유 자원에 접근 -> 허용치 1로 감소
4. 3번 프로세스가 공유 자원에 접근 -> 허용치 0로 감소
5. 4번 프로세스가 공유 자원에 접근 -> 허용치가 0이므로 대기
6. 2번 프로세스가 공유 자원을 모두 사용 -> 허용치 1로 증가
7. 대기하던 4번 프로세스가 공유 자원에 접근 -> 허용치 0로 감소

 

 

뮤텍스와 세마포어의 차이

• 동기화 대상의 개수
  • 뮤텍스는 동기화 대상이 오직 1개일 때 사용
  • 세마포어는 동기화 대상이 1개 이상일 때 사용
• 세마포어는 뮤텍스가 될 수 있지만 뮤텍스는 세마포어가 될 수 없음
  • 이진 세마포어(Binary Semaphore)는 뮤텍스처럼 동작
• 자원 소유 가능 여부
  • 뮤텍스는 Lock을 통해 자원에 대한 소유권과 그 책임을 가짐
  • 세마포어는 자원을 소유할 수 없음
• 잠금 해제 주체
  • 뮤텍스는 Lock을 한(소유권을 가진) 스레드만이 뮤텍스를 해제할 수 있음
  • 세마포어는 Lock을 하지 않은 스레드도 Signal을 통해 뮤텍스를 해제할 수 있음
• Clean Up
  • 뮤텍스는 프로세스가 종료될 때 자동으로 Clean Up
  • 세마포어는 시스템 상에 파일로 존재

 

 

⭐️ 참고

• https://incheol-jung.gitbook.io/docs/q-and-a/computer-science/undefined-1
• https://chelseashin.tistory.com/40