뮤텍스, 세마포어, 모니터

앞서 글에서 프로세스나 쓰레드가 동시에 임계구역 코드를 실행하면 레이스 컨디션이 발생한다고 했다. 이것을 해결하기 위한 방법으로는 뮤텍스, 세마포어, 모니터 등이 있다. 이들에 대해 하나하나 알아보도록 하자.

 

뮤텍스(MUTEX, MUTual EXclusion)

뮤텍스란 임계구역에 접근하고자 한다면 락(Lock)을 획득해야 하고, 작업이 끝나면 락을 해제(Release)하도록 함으로써 동시에 임계구역에 접근하지 못하게 하는 기법이다.

참고로 파이썬이나 C/C++은 뮤텍스 락을 지원하고, Java역시 락을 지원한다. C++에서 뮤텍스 락을 활용하는 예제는 아래와 같다.

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

using namespace std;

int counter = 0;
mutex m; //뮤텍스 선언

void increment() {
    for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
        m.lock(); //공유자원 접근 전 락 획득
        ++counter;
        m.unlock(); //작업 후 락 해제
    }
}

void decrement() {
    for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
        m.lock();
        --counter;
        m.unlock();
    }
}

int main() {
    thread t1(increment);
    thread t2(decrement);

    t1.join();
    t2.join();

    cout << "Final counter value: " << counter << endl;

    return 0;
}

 

세마포어(Semaphore)

세마포어는 뮤텍스와 비슷한 개념이지만 뮤텍스는 한번에 하나만 접근했던 것에 반해, 세마포어는 S개의 프로세스나 쓰레드가 동시에 접근 가능하다.

만약 S가 2라고 가정하고 그림을 살펴보도록 하자.

참고로 세마포어는 이진 세마포어(binary semaphore)와 카운팅 세마포어(counting semaphore)로 구분된다. 이진 세마포어는 S가 0 또는 1, 즉 뮤텍스를 의미하고 S가 여러개의 값을 가지면 카운팅 세마포어라고 한다. 그렇기에 세마포어라고 하면 일반적으로 카운팅 세마포어를 의미한다.

 

모니터

마지막으로 모니터는 공유자원과 그 공유자원을 다루는 함수(인터페이스)로 구성된 동기화 도구이다. 앞서 본 세마포어나 뮤텍스와 다른 점은 상호배제에 더해 실행순서 제어까지도 한다는 점이다.

모니터를 이해하려면 먼저 조건변수라는 것에 대해 알고 있어야 한다. 조건변수란 실행 순서 제어를 위한 동기화 도구로, 특정 조건에서 프로세스를 실행/중단함으로써 프로세스나 쓰레드의 실행 순서를 제어할 수 있다. 조건 변수에는 wait, signal함수가 있는데 프로세스를 실행할 수 없는 상황(선행조건 불충족)에는 wait을, 프로세스를 실행할 수 있는 상황(선행조건 충족)에는 signal을 통해 실행을 재개한다.

모니터의 작동 원리는 다음과 같다.

프로세스 및 쓰레드는 공유자원에 접근하기 위해 반드시 정해진 공유 자원 연산(모니터의 인터페이스)을 통해 모니터 내로 진입해야한다.

모니터 안에 진입하여 실행되는 프로세스 및 쓰레드는 항상 하나여야 한다.

만일 이미 모니터 내에 진입하여 실행중인 프로세스나 쓰레드가 있다면 큐에서 대기해야 한다.

조건 변수를 활용해 아직 실행할 수 없는 프로세스나 쓰레드는 대기상태로 접어들게 한다.

실제 예시를 보도록 하자.

만일 A→B순으로 실행되어야 하는데 아래와 같이 B가 큐의 앞쪽에 있다고 가정하자.

그럼 B는 A가 아직 실행되지 않았으니 대기상태에 접어들고, A가 실행되게 된다.

이후 A의 실행이 완료되면 signal을 호출하게 되고, B가 실행된다.

이렇게 조건 변수를 활용하기 때문에 모니터는 상호배제와 실행순서제어를 모두 수행할 수 있는 것이다. 참고로 자바의 synchronized 키워드가 모니터를 사용하는 대표적인 예시이다. synchronized 키워드를 사용한 메서드는 하나의 프로세스 및 쓰레드만 실행할 수 있다.

 

쓰레드 안전(Thread Safe)

앞서와 같이 멀티쓰레드 환경에서 어떤 변수나 함수, 객체에 동시 접근이 이루어져도 문제가 없는 상태를 쓰레드 안전(thread safe)하다고 한다. 동시 접근이 이루어져도 레이스 컨디션이 발생하지 않는다는 뜻이다.

자바에서 Vector클래스의 add 메서드는 쓰레드 안전성이 보장되어있다. add메서드는 내부적으로 synchronized 키워드로 구현되어 있기 때문이다.

반면 ArrayList클래스의 add 메서드는 쓰레드 안전성이 보장되지 않는다.