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semaphore_mutex.md

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임계 영역 (Critical Section)

: 여러 프로세스가 데이터를 공유하며 수행될 때, 각 프로세스에서 공유 데이터를 접근하는 프로그램 코드 블럭

  • 여러 프로세스가 동일 자원을 동시에 참조하여 오류가 발생할 위험 가능성이 있는 영역
  • 성능 향상을 위해 최소화해야 함

뮤텍스 (Mutex)

: Critical Section을 가진 스레드들의 실행시간이 서로 겹치지 않고 상호배제(Mutual Exclution) 되도록 하는 기술

  • 한 프로세스에 의해 소유될 수 있는 Key를 기반으로 한 상호배제 기법
    • Key에 해당하는 어떤 객체가 있음
    • 이 객체를 소유한 프로세스 또는 스레드만이 공유자원 접근 가능
  • 다중 프로세스들의 공유 자원 접근을 조율하기 위해 동기화 또는 락을 사용
  • 즉, 뮤텍스 객체를 두 스레드가 동시에 사용할 수 없음
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

pthread_mutex_t mutex;
int cnt=0;

void *count(void *arg) {
    int i;
    char* name = (char*)arg;

    pthread_mutex_lock(&mutex);

    //======== critical section =============
    cnt=0;
    for (i = 0; i <10; i++) {
        printf("%s cnt: %d\n", name,cnt);
        cnt++;
        usleep(1);
    }
    //========= critical section ============
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

int main() {
    pthread_t thread1,thread2;

    pthread_mutex_init(&mutex,NULL);

    pthread_create(&thread1, NULL, count, (void *)"thread1");
    pthread_create(&thread2, NULL, count, (void *)"thread2");

    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&mutex);
}
  • int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
    • mutex를 사용하기 전에 동적으로 초기화하는 함수
  • int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
    • Critical Section 진입 시 코드 구역을 잠그는 함수
  • int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
    • Critical Section 종료 시 락을 푸는 함수
  • int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
    • Mutex 동적 생성 후 Mutex를 종료할 때 호출하는 함수

세마포어 (Semaphore)

: 멀티 프로그래밍 환경에서 공유된 자원에 대한 접근을 제한하는 방법

  • 상호 배제를 OS와 프로그래밍 언어 수준에서 지원하는 메커니즘
  • 블록(수면)과 깨움을 지원
  • 세마포어 → 정수 값을 갖는 변수
    • Initialize Operation: 세마포어 값을 음이 아닌 값으로 초기화
    • Wait Operation: 세마포어 값 감소, 음수가 되면 호출한 프로세스 블록
    • Signal Operation: 세마포어 값 증가, 양수가 되면 블록된 프로세스를 깨움

일반 세마포어 (Counting Semaphore)

  • P, V Operations
  • P: 임계 구역에 들어가기 전에 수행 → semWait
  • V: 임계 구역에서 나올 때 수행 → semSignal
struct semaphore {
    int count;
    queueType queue;
};
void semWait(semaphore s) {
    s.count--;
    if(s.count < 0) {
        /*
         * 요청한 프로세스를 s.queue에 연결
         * → 요청한 프로세스를 블록 상태로 전이
         */
    }
}
void semSignal(semaphore s){
    s.count++;
    if(s.count >= 0) {
        /*
         * s.queue에 연결돼 있는 프로세스를 큐에서 제거
         * → 프로세스의 상태를 실행 가능으로 전이시키고, Ready List에 연결
         */
    }
}

이진 세마포어 (mutex)

struct binary_semaphore {
    enum { zero, one } value;
    queueType queue;
};
void semWaitN(binary_semaphore s) {
    if(s.value == one) {}
        s.value = zero;
    } else {
        /*
         * 요청한 프로세스를 s.queue에 연결
         * → 요청한 프로세스를 블록 상태로 전이
         */
    }
}
void semSignalB(binary_semaphore s){
    if(s.queue is empty()){
        s.value = one;
    } else {
        /*
         * s.queue에 연결돼 있는 프로세스를 큐에서 제거
         * → 프로세스의 상태를 실행 가능으로 전이시키고, Ready List에 연결
         */
    }
}

세마포어를 이용한 상호배제 예제

const int n = /* 프로세스 개수 */
semaphore s = 1;

void p(int i){
    while(true){
        semWait(s);

        /* Critical Section */;
        semSignal(s);
        /* Critical Section 이후의 코드*/;
    }
}
void main() {
    parbigin (P(1), P(2), ... , P(n));
}

뮤텍스와 세마포어의 차이

  • 동기화 대상의 갯수
    • 뮤텍스 → 1개
    • 세마포어 → n개
  • 세마포어는 뮤텍스가 될 수 있음
    • Binary Semaphore == mutex
  • 자원 소유 관련
    • 뮤텍스 → 자원 소유가 가능하고, 책임을 가짐
    • 세마포어 → 자원 소유 불가능
  • 헤제 관련
    • 뮤텍스 → 소유하고 있는 스레드만이 뮤텍스 해제 가능
    • 세마포어 → 소유하고 있지 않는 스레드도 세마포어 해제 가능

Reference