[운영체제] 세마포어(Semaphore)와 뮤텍스(Mutex)

세마포어(Semaphore)와 뮤텍스(Mutex)

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동기화 도구인 세마포어(Semaphore)와 뮤텍스(Mutex)

 

공유된 자원에 여러 프로세스가 동시에 접근하면서 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 공유된 자원의 데이터는 한 번에 하나의 프로세스만 접근할 수 있도록 제한을 두는 동기화 방식을 취해야한다. 동기화 도구에는 대표적으로 세마포어(Semaphore)와 뮤텍스(Mutex)가 있으며 이 두 방식은 모두 공유된 자원의 데이터를 여러 프로세스 또는 스레드가 접근하는 것을 막는 역할을 한다. 

 

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임계 영역(Critical Section)

 

멀티 프로세스 환경에서 둘 이상의 프로세스가 동시에 접근해서는 안되는 공유자원의 코드 영역이다. 즉 여러 프로세스가 동일한 자원을 동시에 참조하여 값이 오염될 위험 가능성이 있는 영역을 의미한다. 

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세마포어(Semaphore) 란?

세마포어(Semaphore)란 Signaling 매커니즘이며 상호 배제의 원리를 보장하는 알고리즘이다. 즉 멀티 프로그래밍 환경에서 공유된 자원에 대한 접근을 제한하는 방법이다(동기화 대상이 하나 이상인 경우).  기본적인 작동 원리는 특정 스레드가 특정 signal 을 수신할 때까지 정해진 위치에서 wait 하도록 강제하는 것이다. 

 

공유자원의 상태를 나타낼 수 있는 카운터 변수(최대 허용 프로세스 개수의 임계치)를 사용하며 운영체제 또는 커널에 저장된다. 공유자원에 접근할 수 있는 프로세스의 최대 허용치만큼 동시에 사용자가 접근할 수 있으며 각 프로세스는 세마포어의 값을 확인하고 변경할 수 있다. 

 

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세마포어(Semaphore) 접근 함수 - wait(), signal()

세마포어의 S는 정수 변수로서 초기화를 제외하고는 wait()와 signal() 두개의 atomic operations 으로 만 접근이 가능하다.

wait를 호출하면 세마포어의 카운트를 1 줄이고, 세마포어의 카운트가 0보다 작거나 같아질 경우에 lock 이 실행된다.

 

struct semaphore {
    int count;
    queueType queue;
};

void semWait (semaphore s) {
    s.count--;
    if (s.count <= 0) {
    	// 락이 걸리고 공유 자원에 접근할 수 없음
    }
} 

void semSignal (semaphore s) {
    s.count++;
    if (s.count <= 0) {
    	// 아직 락에 걸려 대기중인 프로세스가 있음
    }
}
출처: https://mangkyu.tistory.com/104 [MangKyu's Diary:티스토리]

세마포어의 카운트가 0보다 작거나 같아져 동기화가 실행된 상황에서 다른 쓰레드가 signal 함수를 호출하면 세마포어의 카운트가 1 증가하고 해당 쓰레드는 lock 에서 나올 수 있다. 세마포어는 Counting Semaphore 와 Binary Semaphore 두 종류가 있다.  Counting Semaphore는 세마포어의 카운트 값이 양의 정수 값을 가지며, 설정한 값만큼 쓰레드를 허용하고 그 이상의 쓰레드가 자원에 접근하면 lock 이 실행된다. Binary Semaphore 는 세마포어의 카운트가 1이며 Mutex 처럼 사용될 수 있다. 

 

 wait()

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

 

signal()

signal(S){
	S++;
}

 

S의 정수 변수를 다루는 모든 작업은 인터럽트 되지 않고 원자적으로 실행되어야 한다.

 

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뮤텍스(Mutex) 란?

뮤텍스(Mutex)는 자원에 대한 접근을 동기화하기 위해 사용되는 상호배제 기술이다. 뮤텍스는 Locking 매커니즘으로 오직 하나의 쓰레드만이 동일한 시점에 뮤텍스를 얻어 임계 영역(Critical Section)에 들어올 수 있다. 그리고 오직 이 쓰레드만이 임계 영역에서 나갈 때 뮤텍스를 해제할 수 있다. 이진 세마포어(Binary Semaphore; 0과 1)라고도 불린다. 

 

wait (mutex);
…..
Critical Section
…..
signal (mutex);
출처: https://mangkyu.tistory.com/104 [MangKyu's Diary:티스토리]

 

lock 을 얻은 쓰레드 만이 임계영역을 나갈 때 lock을 해제해 줄 수 있다. 이러한 이유는 뮤텍스가 1개의 lock만을 가지는 Locking 매커니즘이기 때문이다.

 

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세마포어(Semaphore)와 뮤텍스(Mutex)

세마포어(Semaphore)와 뮤텍스(Mutex)의 가장 큰 차이점은 동기화 대상의 개수이다. 뮤텍스 는 동기화 대상이 1개인 경우에 사용하고 세마포어 는 동기화 대상이 1개 이상일 때 사용하게 된다. 세마포어는 이진 세마포어(Binary Semaphore)가 존재하여 뮤텍스처럼 사용이 가능하지만 뮤텍스는 세마포어가 될 수 없다. 

 

뮤텍스는 Locking 매커니즘으로 lock을 걸은 쓰레드 만이 임계영역을 나갈 때 lock을 해제할 수 있다. 하지만 세마포어는 Signaling 매커니즘으로 lock을 걸지 않은 쓰레드도 Signal을 사용해 lock을 해제할 수 있다. 

 

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Reference

 

https://ynsseon.tistory.com/m/3

세마포어(Semaphore)와 뮤텍스(Mutex)