세마포어(Semaphore)와 뮤텍스(Mutex)

여러 쓰레드들은 자원을 공유하고, 프로세스간 메시지를 전송하면서 간혹 문제가 발생할 수 있습니다.

즉, 공유된 자원에 여러 프로세스 , 쓰레드가 동시에 접근하면서 문제가 발생합니다. 

공유된 자원 속 하나의 데이터는 한번에 하나의 프로세스만 접근할 수 있도록 제한해 두어야 할 필요성이 있는데

이를 위해 고안된 것이 Semaphore(세마포어)입니다.

유명한 화장실 예제로 쉽게 설명해보겠습니다.

공중 화장실은 한번에 1명만 사용할 수 있다고 가정하겠습니다.

어떤 사람이 사용하고 있는데 다른 누군가가 갑자기 들어와서 같이 쓰자고 하면... 생각만해도 이상하지요..?

이를 막기 위해 화장실 열쇠를 만들 수 있습니다.

열쇠를 가지고 있는 한 사람만 화장실을 이용하고, 열쇠가 없는 사람은 밖에서 대기를 하죠.

여기서 열쇠는 세마포어와 같은 역할을 한다고 할 수 있습니다.

그럼 세마포터와 뮤텍스 각각 어떤 의미를 가지고 있을까요?

Semaphore(세마포어)

공유된 자원의 데이터를 여러 프로세스가 접근하는 것을 막는 것!

그리고 세마포어는 리소스의 상태를 나타내는 간단한 카운터라고 할 수 있습니다.

일반적으로 비교적 긴 시간을 확보하는 리소스에 대해 이용하게 되며, 유닉스 시스템의 프로그래밍에서 세마포어는 운영체제의 리소스를 경쟁적으로 사용하는

다중 프로세스에서 행동을 조정하거나 또는 동기화 시키는 기술입니다.

위 화장실 예제로 다시 살펴보면, 세마포어는 1개 이상의 열쇠라고 할 수 있습니다.

만약 화장실 칸이 4개이고 열쇠가 4개라면, 4명까지는 대기없이 바로 사용할 수 있고 

그 다음 부터는 대기를 해야하죠. 이것이 바로 세마포어입니다.

그러므로 몇개의 세마포어로 구성해서 운영체제의 리소스를 경쟁적으로 사용할지는 꽤 중요한 이슈입니다.

그림으로 표현하면 아래와 같습니다.

 

Mutex(뮤텍스, 상호배제)

공유된 자원의 데이터를 여러 쓰레드가 접근하는 것을 막는 것!

즉, *Critical Section을 가진 쓰레드들의 Running tme이 서로 겹치지 않게 각각 단독으로 실행되게 하는 기술입니다. 

다중 프로세스들이 공유 리소스에 대한 접근을 조율하기 위해 locking과 unlocking을 사용합니다.

간단히 말해, Mutex객체를 두 쓰레드가 동시에 사용할 수 없다는 말입니다.

위 화장실 예제로 다시 살펴보면, 뮤텍스는 무조건 1개의 열쇠만 가질 수 있습니다!

그림으로 표현하면 아래와 같습니다.

*Critical Section

다중 프로그래밍 운영체제에서 여러 프로세스가 데이터를 공유하면서 수행될 때,

각 프로세스에서 공유데이터를 엑세스하는 프로그램 코드부분을 말합니다.

공유데이터를 여러 프로세스가 동시에 엑세스하면 시간적인 차이 때문에 잘못된 결과를 만들수 있습니다.

이를 막기 위해 한 프로세스가 위험부분을 수행하고 있을 때, 즉 공유데이터를 액세스하고 있을 때는 

다른 프로세스들은 절대로 그 데이터를 접근할 수 없도록 해야합니다. 

세마포어와 뮤텍스의 차이?

세마포어는 뮤텍스가 될수 있지만, 뮤텍스는 세마포어가 될 수 없습니다.

뮤텍스는 항상 열쇠 1개이고, 세마포어는 여러개 가질 수 있기 때문에 

세마포어의 열쇠가 1개라면 뮤텍스와 같습니다.

세마포어는 파일시스템 상 파일형태로 존재, 뮤텍스는 프로세스 범위입니다.

즉, 프로세스가 사라질 때 뮤텍스는 clean up 됩니다.

세마포어는 소유할 수 없는 반면, 뮤텍스는 소유할 수 있습니다.

뮤텍스의 경우, 뮤텍스를 소유하고 있는 쓰레드가 이 뮤텍스를 해제할 수 있습니다.

반면, 세마포어의 경우, 세마포어를 소유하고 있지 않은 쓰레드도 이 세마포어를 해제할 수 있습니다.