Mutex & Semaphore

공유자원 접근에 대해 동시성 문제를 해결하는 것은 개발자의 입장에서 중요한 화두이다.

가령,

멀티 스레드 환경에서 스택을 제외한 다른 메모리에 접근하는 상황이나

다중 프로세스 환경에서 IPC를 위해 공유 메모리를 사용하는 상황 등이 존재할 수 있다.

이 때 활용할 수 있는 스킬이 바로 Mutex와 Semaphore이다.

 

Mutex

출처: https://www.javatpoint.com/mutex-vs-semaphore

뮤텍스는 Mutual Exclusion의 줄임말로 상호 배제라는 뜻을 갖는다.

뮤텍스는 특정 공유 자원에 대해 단 하나의 주체만이 접근할 수 있게 만드는 락의 개념이다.

뮤텍스의 구현은 크게 lock()과 unlock()으로 이루어 지는데,

(wait()와 release()로도 표현하는데 여기서는 lock()과 unlock()이 더 직관적인 워딩이라고 판단)

lock()은 특정 공유 자원에 대한 다른 주체의 접근을 차단하는 것이고 unlock()은 lock()을 수행한 주체가 걸었던 락을 해제하는 개념이다.

특정 공유 자원에서 뮤텍스를 쓰고 있는데 동시에 3개의 스레드가 접근했다고 가정하자.

3개의 스레드들은 모두 뮤텍스에 lock() 요청을 전달한다.

그 중 가장 먼저 요청을 보낸 스레드의 lock()이 성공하고, 나머지 스레드들은 이미 뮤텍스가 락 상태이므로 대기에 빠진다.

락을 성공한 스레드가 작업을 마치고 unlock()을 수행하면 그제서야 다음 순번의 스레드가 자원에 접근할 수 있게된다.

뮤텍스에서 lock() 요청은 아무나 수행할 수 있지만, unlock() 요청은 오로지 현재 공유 자원을 점유하고 있는 주체 만이 수행가능하다. 

 

Semaphore

출처: https://velog.io/@hahahaa8642/OS-Spinlock-Semaphore-Mutex-Monitor

뮤텍스가 상호 배제에 대한 기술이라고 한다면, 세마포어는 해당 역할 뿐 아니라 작업 주체들 간 순서를 보장하는데 쓰이는 등 락과 컨디션 변수 분야에 활용될 수 있다.

세마포어에서는 먼저 이를 초기화하는 과정이 필요하다. 

이 때 세마포어의 값을 미리 지정해야 하는데, 해당 값은 동시에 공유 자원에 접근하기를 허용할 주체의 수만큼 설정하면 된다.

가령, 1로 세마포어를 초기화한다면 해당 공유 자원에는 동시에 하나의 주체 만이 접근이 가능해지는 것이다. 

이러한 세마포어를 이진 세마포어(Binary Semaphore)라고 하고 이는 뮤텍스의 구현에서 활용되는 방식 중 하나이다.

세마포어를 초기화한 뒤 이를 활용하는 방식은 wait()와 release()로 나뉜다. 

wait()는 세마포어의 값을 하나 낮추고, 만약 세마포어의 값이 음수가 되었다면 대기에 빠지는 요청이다.

만약 세마포어의 값이 음수가 아니라면, 대기없이 곧바로 요청이 반환되고 로직을 계속 수행한다.

release()는 세마포어의 값을 하나 상승시키는 로직이다.

만약 해당 요청으로 세마포어의 값이 음수에서 벗어나면,

큐에서 대기 중인 다른 주체의 wait() 요청이 반환되어 해당 주체의 로직이 마저 실행되는 것이다.

세마포어는 1보다 더 큰 수를 통해서 초기화될 수 있기 때문에 동시에 공유자원에 접근하는 주체의 수를 효과적으로 제한할 수 있다.

또한 특정 상황에서 세마포어의 값이 음수라면, 이는 그 수의 절댓값만큼 주체들이 대기하고 있다는 것을 알려주는 것이기도 하다.

세마포어 응용 (프로세스 간 완료 순서 보장)

세마포어를 응용하면 두 프로세스 간의 순서를 보장할 수도 있다.

이를 위해서는 세마포어를 1이 아닌 0으로 초기화 해야한다.

그리고 먼저 실행이 완료되어야 하는 프로세스에서 release() 요청을 수행하고,

늦게 완료되어야 하는 프로세스에서 wait() 요청을 수행하기만 하면 된다.

이를 설명하기 위해 부모 프로세스 Parent와 자식 프로세스 Child가 있다고 가정해보자.

우선, Parent가 먼저 실행된 상황을 생각해보자.

Parent는 내부적으로 wait() 요청을 수행할 것이다.

이 때 세마포어의 값은 0이기 때문에,

wait() 요청 시 -1이 되고 이에 따라 Parent는 대기 상태에 빠지게 되어 CPU 제어권을 Child에게 넘기게 된다.

이후 Child()가 실행되어 release() 요청과 함께 프로세스가 완료되면 세마포어의 값은 다시 0이 된 채 Parent가 대기 상태에서 벗어나게 된다. 

따라서 Child -> Parent 순서가 보장되게 된다.

반대의 경우를 생각해보자.

Child가 먼저 수행된다. 그런데 Child가 수행되다가 인터럽트가 발생해서 CPU 제어권이 운영체제로 넘어가고, 운영체제는 다음 차례로 Parent를 스케줄링 했다면?

해당 경우에도 Parent가 수행되는 도중 wait() 요청을 수행하고 이에 따라 Parent는 대기 상태가 되어 Child가 완료될 때까지 기다릴 수 밖에 없다. 

따라서 해당 경우에도 Child -> Parent 순서가 보장되는 것이다.

이러한 응용이 가능한 것은, 세마포어는 뮤텍스와 달리 그 누구라도 release() 요청을 수행할 수 있도록 설계되기 때문이다. 

뮤텍스는 lock()을 건 주체만이 unlock()을 수행할 수 있지만 세마포어에서는 그렇지 않다.