Important Study - Mutex & Semaphore

뮤택스 ( Mutex ) 와 세마포어 ( Semaphore ) 는 왜 중요할까?

• 동시성 프로그래밍의 가장 큰 숙제는 공유자원 관리일 것이다.

• 공유자원을 안전하게 관리하기 위해서는 상호배제(Mutual exclusion)를 달성하는 기법이 필요하다.

• 뮤텍스와 세마포어는 이를 위해 고안된 기법으로 서로 다른 방식으로 상호배제를 달성한다.

뮤택스 ( Mutex ) 란 ?

• 동기화 대상이 하나일 때 사용하며, Key를 기반으로 한다.

• Key를 가진 프로세스, 스레드만이 접근 가능하고 완료 후 다음 스레드에게 key를 넘기기 전까지는 다른 스레드는 접근할 수 없다.

• 즉, 뮤텍스 개체는 두 스레드가 동시에 사용할 수 없다.

• Lock을 가짐 ( 0, 1 상태 뿐이라 )

• 자원을 소유하고 책임을 가진다.

• 소유하고 있는 스레드만이 이 뮤택스를 해제할 수 있다.

• 프로세스의 범위를 가지며, 프로세스가 종료될 때 자동으로 Clean up 된다.

• 예를들면 다음과 같다.

  • A라는 사람이 키를 가지고 하나뿐인 화장실을 감. 다음 사람들은 줄을 서있음. A가 볼일을 다 보고, 와서 다음 사람에게 화장실 Key를 넘김. Key를 받은 사람이 화장실을 감.

• 뮤택스를 구현한 예시 코드이다.

   import java.util.concurrent.locks.Lock;
   import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
  
   public class MutexExample {
       private final Lock mutex = new ReentrantLock();
  
       public void performCriticalSection() {
           try {
               // 뮤텍스 획득
               mutex.lock();
  
               // 크리티컬 섹션 (임계 영역) 코드
               System.out.println("Critical Section: " + Thread.currentThread().getName());
  
           // 뮤텍스 해제
           } finally {
               mutex.unlock();
           }
       }
  
       public static void main(String[] args) {
           MutexExample example = new MutexExample();
  
           // 여러 스레드에서 크리티컬 섹션 접근 시도
           for (int i = 0; i < 5; i++) {
               new Thread(() -> {
                   example.performCriticalSection();
               }).start();
           }
       }
   }
  

  • 이 코드에서 ReentrantLock 객체를 생성하고 performCriticalSection 메서드에서 크리티컬 섹션을 진입하기 전에 lock() 메서드를 호출하여 뮤텍스를 획득하고, 크리티컬 섹션을 빠져나갈 때에는 unlock() 메서드를 호출하여 뮤텍스를 해제한다.

  • 이렇게 함으로써 한 번에 하나의 스레드만 크리티컬 섹션에 접근할 수 있다.

세마포어 ( Semaphore ) 란?

• 동기화 대상이 하나 이상일 때 사용한다.

• 정해진 갯수 만큼의 스레드가 접근할 수 있으며, 하나의 스레드가 접근 할 때마다 갯수의 수가 마이너스 되고, 나오면 플러스가 된다.

• 자원 소유가 불가능하다.

• 다른 스레드가 세마포어를 해제할 수 있다.

• 시스템 범위에 걸쳐있고, 파일 시스템 상의 파일로 존재한다.

• 예를들면 다음과 같다.

  • 화장실이 3개가 있고, 한 사람이 들어가면 2개가 남는다. 그리고 그 사람이 나오면 다시 3개가 된다. 3명이 들어가서 화장실 남은 갯수가 0개면, 다음에 오는 사람들은 기다려야 한다.

• 세마포어를 구현한 예시 코드이다.

   import java.util.concurrent.Semaphore;
  
   public class SemaphoreExample {
       private static final int MAX_AVAILABLE_RESOURCES = 3;
       private static final Semaphore semaphore = new Semaphore(MAX_AVAILABLE_RESOURCES, true);
  
       public void accessSharedResource() {
           try {
               // 세마포어 획득
               semaphore.acquire();
  
               // 공유 자원에 대한 작업 수행
               System.out.println("Accessing shared resource: " + Thread.currentThread().getName());
  
               // 세마포어 반환
           } catch (InterruptedException e) {
               e.printStackTrace();
           } finally {
               semaphore.release();
           }
       }
  
       public static void main(String[] args) {
           SemaphoreExample example = new SemaphoreExample();
  
           // 여러 스레드에서 공유 자원에 접근 시도
           for (int i = 0; i < 5; i++) {
               new Thread(() -> {
                   example.accessSharedResource();
               }).start();
           }
       }
   }
  

  • 이 코드에서 Semaphore 객체를 생성하고 accessSharedResource 메서드에서 세마포어를 획득하기 위해 acquire() 메서드를 호출한다. 세마포어가 획득되면 공유 자원에 대한 작업을 수행하고, 마지막에 release() 메서드를 호출하여 세마포어를 반환한다.

  • 이렇게 함으로써 지정된 수의 스레드만이 동시에 공유 자원에 접근할 수 있다.

뮤택스 vs 세마포어

Mutex vs Semaphore