[운영체제] 세마포어(Semaphore) & 뮤텍스(Mutex)

✔️ 들어가기 전...

 

뮤텍스와 세마포어를 알아보기 전, 임계구역(Critical Section)에 대해 먼저 정리하자.

 

 

💡 임계구역(Critical Section)이란?

여러 프로그램 혹은 쓰레드가 작업을 수행하면서 공유된 자원을 건드리게 될 수 있는데,
이때 프로그램 코드 상에서 공유 자원에 접근하는 부분을 임계구역이라고 한다.

 

 

이렇게 임계 구역에 여러 프로세스 및 스레드가 함부로 접근할 수 없도록 

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

 

 

동기화 도구에는 대표적으로 세마포어(Semaphore)와 뮤텍스(Mutex)가 있다.

🔒 이들은 모두 공유된 자원의 데이터를 여러 스레드/프로세스가 접근하는 것을 막는 역할을 한다.

 

 

세마포어는 일반화된 뮤텍스이다. 

따라서 뮤텍스에 대해 먼저 알아보자.

💡 뮤텍스와 세마포어의 차이는 서로 다른 방식으로 상호배제를 달성한다. 
(※ 상호배제 : 오직 한 쓰레드만이 진입 가능함)

 

이제 이 둘을 알아보자.

 

 

 

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✔️ 뮤텍스(Mutex) or 뮤텍스 락(Mutex Lock)

임계 구역을 가진 스레드들의 실행시간이 서로 겹치지 않고 각각 단독으로 실행되게 하는 기술이다.

※ 상호배제(Mutual Exclusion)의 약자임

 

 

해당 접근을 조율하기 위해 lock과 unlock을 사용한다.

• lock : 현재 입계 구역에 들어갈 권한을 얻어온다.
  • 만약 다른 프로세스 / 스레드가 임계 구역 수행 중이면, 종료할 때까지 대기

 

• unlock : 현재 임계 구역을 모두 사용했음을 알린다.
  • 대기 중인 다른 프로세스 / 스레드가 임계 구역에 진입할 수 있음

 

 

뮤텍스

※ 영문 버전

 

 

 

✔️ 특징

• 세마포어와 마찬가지로, 병행 처리를 위한 동기화 기법 중 하나이다.
• 동기화 대상이 하나이다.
• 임계구역을 가진 스레드들의 실행시간(Running Time)이 서로 겹치지 않고, 각각 단독으로 실행(상호배제)되도록 하는 기술이다.
• 프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고, 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체이다.
• 잠금이 설정되면, 다른 프로세스나 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없고, 해제는 그와 반대이다.
• 또한 뮤텍스는 잠금 또는 해제라는 상태만을 가진다. (상태가 0, 1)
• 즉, 뮤텍스 객체를 두 스레드가 동시에 사용할 수 없다.

 

 

 

💡 예시를 들어보자.

뮤텍스는 화장실이 '하나' 밖에 없는 식당과 비슷하다.

 

화장실을 가기 위해서는 카운터에서 열쇠를 받아가야 한다.

 

당신이 화장실을 가려고 하는데 카운터에 키가 있으면 화장실에 사람이 없다는 뜻이고, 

당신은 그 열쇠를 이용해 화장실에 들어갈 수 있다고 가정하자.

 

 

 

카운터에 열쇠가 없기 때문에 
화장실에 사람(여자)가 있다는 뜻이며, 남자는 화장실을 사용할 수 없다.
즉, 여자가 나올 때까지 기다려야 한다.

 

 

 

 

곧이어 다른 남자도 화장실에 가고 싶어졌다.

이 남자 또한 화장실에 들어가기 위해서는 카운터에서 대기해야 한다.

 

 

 

 

이제 여자가 화장실에서 나와 카운터에 키를 돌려놓았다.

이제 기다리던 사람들 중 맨 앞에 있던 사람은 키를 받을 수 있고, 
이를 이용해 화장실을 갈 수 있다.

 

 

 

 

🙌🏻 이것이 뮤텍스가 동작하는 방식이다.

→ 화장실을 이용하는 사람이 프로세스 혹은 쓰레드이며, 

→ 화장실은 공유 자원, 

→ 화장실 키는 공유자원에 접근하기 위해 필요한 어떤 오브젝트이다.

 

 

 

 

 

✔️ 그래서 결국 뮤텍스가 뭔데?

💡 뮤텍스는 오직 하나의 쓰레드만이 동일한 시점에 뮤텍스를 얻어 임계 영역에 들어올 수 있다.

그리고 오직 이 쓰레드만이 임계 영역에서 나갈 때 뮤텍스를 해제할 수 있다.

→ 이러한 이유는, 뮤텍스가 1개의 락만을 갖는 매커니즘이기 때문이다.

 

 

※ 간단한 코드로 보자.

mutex = 1;

void lock () {
	while (mutex != 1) {
    	/* mutex 값이 1이 될 때까지 기다립니다.*/
    }
    /* 이 구역에 도착했다는 것은 mutex 값이 1이라는 것입니다.
       따라서 이제 뮤텍스 값을 0으로 만들어 다른 프로세스(혹은 쓰레드)가 접근하지 못하도록 막아야 합니다.
    */
    mutex = 0;
}

void unlock() {
	/* 임계 구역에서 나온 프로세스는 다른 프로세스가 접근할 수 있도록 락을 해제합니다.*/
	mutex = 1;
}

 

 

 

 

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✔️ 세마포어(Semaphore)

멀티프로그래밍 환경에서, 공유 자원에 대한 접근을 제한하는 방법이다.

(여기서 말하는 '접근을 제한'하는 것이란?
→ 공유된 자원의 데이터를 한 번에 하나의 프로세스만 접근할 수 있도록 하는 것)

 

세마포어

※ 영문 버전

 

 

 

 

✔️ 특징

• 세마포어는 일반화된 뮤텍스이다.
• 간단한 정수 값고 두 가지 함수 wait(P 함수라고도 함) 및 signal(V 함수라고도 함)로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다.
• wait()는 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수이며, signal()은 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수이다.
• 프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근하면, 세마포어에서 wait() 작업을 수행하고, 자원을 해제하면 세마포어에서 signal() 작업을 수항한다.
• 세마포어에는 조건 변수가 없고, 프로세스나 스레드가 세마포어 값을 수정할 때, 다른 프로세스나 스레드는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없다.

 

 

 

 

💡 예시를 들어보자.

세마포어는 손님이 화장실을 좀 더 쉽게 이용할 수 있는 레스토랑이다.

 

세마포어를 이용하는 레스토랑의 화장실에는 '여러 개'의 칸이 있다.

 

 

 

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.

 

 

 

 

만약 모든 칸에 사람이 들어갔을 경우, 빈칸의 개수는 0이 되며 
이때 화장실에 들어가고자 하는 사람이 있다면
빈 칸의 개수가 1로 바뀔 때까지 기다려야 한다.

 

 

 

 

화장실을 나오면서 사람들은 빈 칸의 개수를 1씩 더한다.

그리고 기다리던 사람은 이 숫자에서 다시 1을 뺀 다음 화장실로 들어간다.

 

 

 

 

🙌🏻 이것이 세마포어가 동작하는 방식이다.

→ 세마포어는 공통으로 관리하는 하나의 값을 이용해(그림의 예제에서는 Num of Empty rooms) 상호배제를 달성한다.

→ 화장실이 공유 자원이며, 

→ 사람들이 쓰레드, 프로세스이다.

→ 화장실 빈 칸의 개수는 현재 공유자원에 접근할 수 있는 쓰레드, 프로세스의 개수를 나타낸다.

 

 

 

 

✔️ 세마포어의 종류

크게 카운팅 세마포어(Counting Semaphores), 바이너리 세마포어(Binary Semaphore) 2종류가 있다.

 

• 카운팅 세마포어
  • 세마포어의 카운트가 양의 정수값을 가진다.
  • 설정한 값만큼 쓰레드를 허용하고, 그 이상의 쓰레드가 자원에 접근하면 락이 실행된다.

 

• 바이너리 세마포어
  • 0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어이다.
  • Mutex처럼 사용될 수 있다. 🚨 하지만 뮤텍스는 절대로 세마포어처럼 사용될 수 없다.

※ 뮤텍스와 바이너리 세마포어의 차이

구현의 유사성으로 인해 뮤텍스는 바이너리 세마포어라고 할 수 있지만, 

엄밀히 말하면 뮤텍스는 잠금을 기반으로 상호 배제가 일어나는 '잠금 매커니즘'이고, 

세마포어는 신호를 기반으로 상호 배제가 일어나는 '신호 매커니즘'이다.

 

여기서 신호 매커니즘은 

휴대폰에서 노래를 듣다고 친구로부터 전호가 오면, 노래가 중지되고 통화 처리 작업에 관한 인터페이스가 등장하는 것을 상상하면 된다.

 

 

 

 

✔️ 그래서 결국 세마포어가 뭔데?

💡 세마포어는 공유 자원에 세마포어의 변수만큼(여러 개)의 프로세스(또는 쓰레드)가 접근할 수 있다.
(세마포어의 변수 → 공유자원의 개수를 나타내는 변수)

그리고 현재 수행 중인 프로세스가 아닌 다른 프로세스가 세마포어를 해제할 수 있다.

 

 

※ 간단한 코드로 보자.

struct semaphore {
	int count;
    	queueType queue;
};

void semWait (semaphore s) {
	s.count--;
    if (s.count < 0) 
    {
    	// 이 구역으로 들어왔다는 것은 현재 프로세스(스레드)가 공유 자원에 접근할 수 없다는 것을 의미.
    	// 요청한 프로세스를 s.queue에 연결 (대기 큐에 추가)
      // 요청한 프로세스를 블록 상태로 락
    }
} 

void semSignal (semaphore s) {
	s.count++;
    if (s.count <= 0) 
    {
    	// 대기하고 있는 프로세스(스레드)를 위해 s.queue에 연결되어 있는 프로세스를 큐에서 제거 (대키큐에서 기다리던 프로세스를 준비큐로 이동)
      // 프로세스의 상태를 실행 가능으로 변경하고 ready list에 연결
    }
}

 

 

 

 

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✔️ 뮤텍스와 세마포어의 차이점

• 가장 큰 차이점은 관리하는 동기화 대상의 갯수이다.
  
  • Mutex는 동기화 대상이 오직 1개일 때 사용
  • Semaphore는 동기화 대상이 1개 이상일 때 사용

 

• 세마포어는 뮤텍스가 될 수 있지만, 뮤텍스는 세마포어가 될 수 없다. (뮤텍스가 세마포어에 포함)
  • Mutex는 0, 1로 이루어진 이진 상태이므로 Binary Semaphore라고 할 수 있음.

 

• Mutex는 자원을 소유 + 책임을 가지는 반면, Semaphore는 자원 소유가 불가능하다. (아마 여러 개가 접근 가능해서 그럴까하는 건가... 이건 내 생각)
• Mutex는 소유하고 있는 스레드 만이 이 Mutex를 해제할 수 있다. 반면, Semaphore는 Semaphore를 소유하지 않는 스레드가 Semaphore를 해제할 수 있다.
• Semaphore는 시스템 범위에 걸쳐 있고 파일 시스템 상의 파일로 존재한다.
  반면 Mutex는 프로세스의 범위를 가지며 프로세스 종료될 때 자동으로 Clean up된다.

 

 

 

뮤텍스와 세마포어는 모두 완벽한 기법은 아니므로 데이터의 무결성을 보장할 순 없으며

모든 교착상태를 해결하지는 못한다.

 

하지만 상호배제를 위한 기본적인 문법이기에 알아야 하는 지식이다.

 

 

 

 

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✔️ 정리 겸 예상 질문

Q. 뮤텍스와 세마포어의 차이에 대해 설명해라.

A. 뮤텍스는 Lock을 사용해 하나의 프로세스나 쓰레드를 단독으로 실행하게 한다.

반면 세마포어는 공유자원에 세마포어 변수만큼의 프로세스(또는 쓰레드)가 접근할 수 있다.

또한 수행 중인 프로세스가 아닌 다른 프로세스가 세마포어를 해제할 수 있다.

하지만 뮤텍스는 락(lock)을 획득한 프로세스가 반드시 그락을 해제해야 한다.

 

 

 

 

아 어렵다 어려워;;;

 

 

 

 

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출처

• https://github.com/gyoogle/tech-interview-for-developer/blob/master/Computer%20Science/Operating%20System/Semaphore%20%26%20Mutex.md
• https://github.com/JaeYeopHan/Interview_Question_for_Beginner/tree/master/OS#%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%84%B8%EC%8A%A4-%EB%8F%99%EA%B8%B0%ED%99%94
• https://worthpreading.tistory.com/90
• https://heeonii.tistory.com/14
• https://velog.io/@heetaeheo/%EB%AE%A4%ED%85%8D%EC%8A%A4Mutex%EC%99%80-%EC%84%B8%EB%A7%88%ED%8F%AC%EC%96%B4Semaphore%EC%9D%98-%EC%B0%A8%EC%9D%B4
• https://velog.io/@hidaehyunlee/Philosophers-%EC%98%88%EC%8B%9C%EC%98%88%EC%A0%9C%EB%A1%9C-%EB%B3%B4%EB%8A%94-%EB%AE%A4%ED%85%8D%EC%8A%A4%EC%99%80-%EC%84%B8%EB%A7%88%ED%8F%AC%EC%96%B4%EC%9D%98-%EC%B0%A8%EC%9D%B4