[운영체제] 스핀락(Spinlock),뮤텍스(Mutex),세마포어(Semaphore)

✔️ 동기화(Synchronization)란?

- 여러 프로세스/스레드를 동시에 실행해도 공유 데이터의 일관성을 유지하는 것을 의미합니다.

 

 

✔️ 동기화의 목적

• 상호배제(Mutual Exclusion)
• 스레드 간의 순서 보장(Ordering)
• 효율적인 통신과 협력(Cooperation)

 

- 일반적으로 뮤텍스, 세마포어, 조건 변수, 원자적 연산 등의 기법과 동기화 객체를 활용하여 스레드 간의 안전한 상호작용과 동기화된 실행을 달성할 수 있습니다. 이러한 동기화 메커니즘을 적절히 사용하여 스레드 동기화를 구현하면 경쟁 조건과 데드락(Deadlock), 스레드 간의 충돌 등의 문제를 예방하고 안정적인 다중 스레드 프로그래밍을 구현할 수 있습니다.

 

 

✔️ 임계 영역(Critical Section)이란?

- 공유 데이터의 일관성을 보장하기 위해 하나의 프로세스/스레드만 진입해서 실행 가능한 영역을 의미합니다.

 

 

 

 

✔️ 스핀락(Spinlock)

• Busy-waiting 하며 대기 큐를 갖지 않는다.
• Mutex-nonblocking 모델로 볼 수 있다.
• 스핀락은 운영체제의 스케줄링 지원을 받지 않기 때문에 해당 스레드에 대한 문맥 교환이 일어나지 않습니다.

 

 

 

 

✔️ 뮤텍스(Mutex)

• 여러 스레드를 사용하는 환경에서 자원에 대한 접근을 강제하기 위한 동기화 메커니즘이다.
• Boolean 타입의 Lock 변수를 사용한다.
• 공유자원을 사용중인 스레드가 있을 때, 다른 스레드가 공유자원에 접근한다면 Blocking 후 대기 큐로 보낸다.
• Lock을 건 스레드만 Lock을 해제할 수 있다.

뮤텍스

 

 

뮤텍스 예제 코드

do {
  wait (mutex);

    // Critical section

  signal (mutex);

    // Remainder section
} while (TRUE);

 

 

 

✔️ 세마포어(Semaphore)

• 세마포어 변수를 통해 wait, signal을 관리한다. 세마포어 변수는 0 이상의 정수형 변수를 갖는다.
• 계수 세마포어로 사용할 수 있으며, 접근 가능한 공유 자원의 수가 1개일 때는 이진 세마포어로 뮤텍스처럼 사용할 수 있다.
• Lock을 걸지않은 스레드도 Signal을 보내 Lock을 해제할 수 있다.
• 세마포어는 크게 Counting Semaphores, Binary Semaphore 2종류가 있다.

 

세마포어

 

 

 

세마포어 예제 코드

wait(S) {
  while (S <= 0);  // 자원이 없다면 while 루프를 돌며 대기를 함.

  S--;  // 자원을 획득함.
}

signal(S) {
  S++;  // 자원을 해제함.
}

 

 

✔️ 세마포어와 뮤텍스의 차이점

• 세마포어는 자원의 상태를 나타내는 일종의 '변수'로써 소유 개념이 아니지만, 뮤텍스는 자원을 점유한 프로세스나 쓰레드가 잠시 소유하였다가 작업이 끝나면 반환하는 개념이다.
• 뮤텍스는 Locking 메커니즘으로 락을 걸은 쓰레드만이 임계 영역을 나갈때 락을 해제할 수 있다. 하지만 세마포어는 Signaling 메커니즘으로 락을 걸지 않은 쓰레드도 signal을 사용해 락을 해제할 수 있다.
• 가장 큰 차이점은 뮤텍스가 동기화 대상이 자원의 하나라면, 세마포어는 하나 이상일 때 사용된다.
• 세마포어는 뮤텍스가 될 수 있지만 뮤텍스는 절대로 세마포어가 될 수 없다.

 

 

Reference

• https://cocoon1787.tistory.com/541
• https://blog.naver.com/ding-dong/222626631093
• https://www.youtube.com/watch?v=oazGbhBCOfU