상호배제 & 뮤텍스,세마포어,스핀락 개념

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Sean-creative 2023. 11. 7. 17:19

Mutual - 서로의, Exclusion - 배제
주로 병행 프로그래밍, 동시성 제어와 관련이 있으며 특정 프로세스가 공유 자원을 사용 중일 때 다른 프로세스가 이 자원에 접근하지 못하도록 막는 것을 의미합니다.
결국은 공유를 하면 안되는 자원(Resource)의 동시 사용을 피하는 방법 중 하나입니다.
이는 경쟁 조건을 방지하고 일관된 상태를 유지하는 데 중요합니다.
이를 위해 뮤텍스, 세마포어, 모니터 등의 동기화 메커니즘이 사용됩니다.
스레드의 경우, 프로세스와 달리 메모리의 Stack 영역을 제외한 부분을 다른 스레드와 공유하는데, 이 부분에서 스레드간 동시 사용을 피하고 싶을 때 주로 사용한다.
동시 접근을 막기 위해 프로그래머에 의해 구현된 코드 영역을 임계 구역(Critical Section)이라고 한다.
상호배제를 재미있게 설명한 삽화. Mutex가 지켜주는 덕에, 화장실은 딱 1명만 쓸 수 있다.

뮤텍스와 세마포어는 모두 상호배제(mutual exclusion)를 제공하는 동기화 메커니즘입니다. 이 두 가지는 다중 스레드 환경에서 공유 자원에 대한 접근을 제어하고 조정하기 위해 사용됩니다. 그러나 뮤텍스와 세마포어는 서로 다른 방식으로 동작합니다.

뮤텍스(Mutex): 특정 코드 영역에 대해 하나의 스레드만 접근할 수 있도록 보호합니다. 즉, 뮤텍스를 사용하면 한 번에 한 스레드만이 보호된 자원에 접근할 수 있습니다.
세마포어(Semaphore): 세마포어는 공유 자원에 대한 접근을 제한하는 데 사용되는 카운팅 매커니즘입니다. 세마포어는 특정 리소스에 대한 접근 가능한 스레드 또는 프로세스의 수를 제한합니다. 세마포어는 카운터로 사용되며, 일정 수의 스레드만이 동시에 특정 리소스에 접근할 수 있도록 허용합니다.

두 도구는 다중 스레드 환경에서 경쟁 상태나 잘못된 데이터 접근을 방지하기 위해 사용됩니다. 그러나 뮤텍스는 단일 리소스에 대한 상호 배제를 위해 사용되는 반면, 세마포어는 일정 수의 리소스에 대한 접근을 제어하는 데 사용됩니다.

Busy-waiting: 스핀락을 사용하는 스레드는 자원을 얻기 위해 계속 반복적으로 확인하며 기다립니다. 이러한 방식은 Busy-waiting이라고도 하며, 다른 동기화 메커니즘들이 대기 큐에 대기하는 것과는 달리, 자원이 사용 가능해질 때까지 기다립니다.
짧은 임계 구역: 스핀락은 임계 구역이 짧은 경우에 유용합니다. 만약 자원을 기다리는 시간이 다른 동기화 메커니즘을 사용하는 것보다 짧다면, 스핀락은 더 효율적일 수 있습니다.

그러나 스핀락은 자원을 기다리는 동안 프로세서를 계속 점유하고 있기 때문에, 자원을 기다리는 시간이 길어질 경우에는 비효율적일 수 있습니다. 따라서 스핀락은 주로 임계 구역이 짧을 때 또는 대기 시간이 예상되는 경우에 사용됩니다.

뮤텍스는 화장실이 하나 밖에 없는 식당과 비슷합니다. 화장실을 가기 위해서는 카운터에서 열쇠를 받아 가야 하며 당신이 화장실을 가려고 하는데 카운터에 키가 있으면 화장실에 사람이 없다는 뜻이고 당신은 그 열쇠를 이용해 화장실에 들어갈 수 있다고 가정합니다.

곧이어 다른 사람도 화장실에 가려고 카운터에 대기하고 있습니다. 앞사람이 화장실에서 나와 카운터에 키를 돌려놓았습니다. 이제 기다리던 사람들 중 맨 앞에 있던 사람이 키를 받아 화장실에 갈 수 있습니다.
이것이 뮤텍스가 동작하는 방식입니다. 화장실을 이용하는 사람은 프로세스 혹은 쓰레드이며 화장실은 공유자원, 화장실 키는 공유자원에 접근하기 위해 필요한 어떤 오브젝트입니다. 즉, 뮤텍스는 Key에 해당하는 어떤 오브젝트가 있으며 이 오브젝트를 소유한 (쓰레드,프로세스) 만이 공유자원에 접근할 수 있습니다.

세마포어는 손님이 화장실을 좀 더 쉽게 이용할 수 있는 레스토랑입니다. 세마포어를 이용하는 레스토랑의 화장실에는 여러 개의 칸이 있고 화장실 입구에는 현재 화장실의 빈 칸 개수를 보여주는 전광판이 있다고 가정합니다.

만약 당신이 화장실에 가고 싶다면 입구에서 빈 칸의 개수를 확인하고 빈 칸이 1개 이상이라면 빈칸의 개수를 하나 뺀 다음에 화장실로 입장해야 하며 나올 때 빈 칸의 개수를 하나 더해줍니다.

모든 칸에 사람이 들어갔을 경우 빈 칸의 개수는 0이 되며 이때 화장실에 들어가고자 하는 사람이 있다면 빈 칸의 개수가 1 혹은 양수로 바뀔 때까지 기다려야 합니다.
이처럼 세마포어는 공통으로 관리하는 하나의 값을 이용해 상호배제를 달성합니다. 세마포어도 아까와 똑같이 화장실이 공유자원이며 사람들이 쓰레드, 프로세스이다. 그리고 화장실 빈칸의 개수는 현재 공유자원에 접근할 수 있는 쓰레드,프로세스의 개수를 나타냅니다.

“대기 큐에 들어가서 block이 된다” = 프로세스나 스레드가 어떤 이벤트가 발생할 때까지 기다리는 동작
대기 큐에 들어가게 되면 해당 프로세스나 스레드는 실행을 멈추고 다른 작업을 처리하는 동안 기다리게 됩니다. 이러한 동작은 일반적으로 "sleep"이라고 표현되기도 합니다.
"sleep"이라는 용어는 일반적으로 프로세스나 스레드가 특정 이벤트를 기다리기 위해 자원을 점유하지 않고 대기하는 상태를 가리킵니다. 예를 들어, 프로세스가 외부 입력을 기다리거나 특정 조건을 충족하기 위해 대기하는 경우 sleep 상태에 들어갑니다.