동기화?
- 한정적인 시스템 자원에 여러 스레드가 동시에 접근해서 사용하면 문제가 발생할 수 있다.
- 이 문제를 방지하기 위해 여러 스레드에게 하나의 자원에 대한 처리 권한을 주거나 순서를 조정하는 기법이다.
스레드 동기화
- 실행 순서의 동기화
- 스레드의 실행 순서를 정의하고, 이 순서를 반드시 따르도록 하는 것.
- 메모리 접근에 대한 동기화
- 실행 순서가 중요한 것이 아니라 한 순간에 하나의 스레드만 해당 자원에 접근하도록 하는 것.
동기화 기법
1. 유저 모드의 동기화
- 커널의 힘을 빌리지 않는 동기화 기법
- 성능상 이점이 있으나, 기능상의 제한점이 존재
임계 구역 기반의 동기화
임계 구역(Critical Section)
집입을 위해크리티컬 섹션 오브젝트
를 얻는다.- 열쇠를 얻은 프로세스만 임계 구역에 들어갈 수 있다. 한번에 하나의 스레드만이 접근 가능하다.
- 다른 스레드가 열쇠를 가지고 있을 시에는 반환할 때까지 블로킹된다.
- 열쇠가 반환되면 블로킹 상태에서 빠져나와 열쇠를 얻고 임계 구역에 접근한다.
인터락 함수 기반의 동기화
- 인터락 함수: 함수 내부적으로 한 순간에 하나의 쓰레드에 의해서만 실행
- 임계 구역 기반의 동기화도 내부적으로 인터락 함수를 기반으로 구현된다.
- 유저 모드 기반으로 동작해서 속도가 빠르다.
2. 커널모드의 동기화
- 공유된 자원의 데이터를 여러 프로세스, 스레드가 접근하는 것을 막는 것이다.
2-1. 세마포어(Semaphore)
- 동시에 접근할 수 있는 '허용 가능한 갯수'를 가지고 있는 Counter
- 공유자원에 접근할 수 있는 스레드 혹은 프로세스의 수를 나타내는 값 -> 공통으로 관리하는 하나의 값
- 세마포어 Counter의 갯수에 따라 다음과 같이 나뉜다.
- 1개: Binary Semaphore(뮤텍스와 같다.)
- 2개 이상: Counting Semaphore
- 세마포어는 소유할 수 없다.
- 세마포어를 소유하지 않는 스레드가 세마포어를 해제할 수 있는 문제가 발생한다.
- Counter라는 변수값으로 프로그래머가 상호 배제나 정렬의 목적으로 사용시 매번 값을 따로 지정해줘야하는 번거로움이 있다.
ex) 세마포어는 1개 이상의 열쇠라고 할 수 있다. 예로, 화장실 칸이 4개이고 열쇠가 4개라면, 4명까지는 대기없이 바로 사용할 수 있다. 그 다음부터는 대기를 해야한다.
2-2. 뮤텍스(Mutal Exclusion)
- 임계 구역을 가진 스레드들의 Running time이 서로 겹치지 않게 각각 단독으로 실행되게 하는 기술
- 뮤텍스 객체를 두 스레드가 동시에 사용할 수 없다.
- 일종의 Locking 메커니즘으로 공유 자원에 대한 접근을 조율하기 위해 locking과 unlocking을 사용
- Lock에 대한 소유권이 있으며 Lock을 가지고 있을 경우에만 공유 자원에 접근할 수 있고, Lock을 가진 사람만 반납할 수 있다.
- 운영체제 커널에 의햇 제공되므로 무겁고 느리다.
ex) 뮤텍스는 무조건 1개의 열쇠만 가질수 있다. 열쇠를 가진 사람만이 화장실에 갈 수 있고, 다음 사람이 화장실을 가기 위해서는 앞 사람이 열쇠를 반납해야 한다.
2-3. 모니터(Monitor)
- Mutex(Lock)와 Condition Variables를 가지고 있는 Synchronization 메커니즘이다.
- 데이터에 모니터를 결합하면 하나의 스레드가 그 데이터를 사용하는 동안에는 다른 스레드들이 그 데이터를 사용할 수 없게 된다.
- 자바에서는 synchronized 메소드가 선언된 객체와 synchronized 블록에 의해 동기화되는 모든 객체에 고유한 모니터가 결합되어 동기화 작업을 수행하게 된다.
- 프레임워크나 라이브러리 그 자체에서 제공되므로 가볍고 빠르다.
뮤텍스와 모니터는 상호 배제를 함으로써 임계 영역에 하나의 스레드만 들어갈 수 있다.
반면, 세마포어는 하나의 스레드만 들어가거나 혹은 여러 개의 스레드가 들어가게 할 수도 있다.
임계 영역(Critical Section)
- 둘 이상의 스레드가 동시에 접근해서는 안되는 공유 자원을 접근하는 코드의 일부를 말한다.
- 임계 영역에서 동기화를 진행하지 못하면 치명적인 문제가 발생.
임계 영역 문제를 해결하기 위한 3가지 조건
1. 상호 배제(Mutual exclusion)
- 프로세스 P1이 공유 자원을 접근하는 임계 영역 코드를 수행하고 있으면 다른 프로 세스들은 공유 자원을 접근하는 임계 영역 코드를 수행할 수 없다.
- 한 순간에 하나의 스레드만 실행될 수 있다.
2. 진행(Progress)
- 임계 영역에서 실행중인 프로세스가 없고 별도의 동작이 없는 프로세스들만 임계 영역 진입 후보로서 참여될 수 있다.
3. 한정된 대기(Bounded Waiting)
- P1이 임계 영역에 진입 신청 후부터 받아들여질 때까지, 다른 프로세스들이 임계 영역에 진입하는 횟수는 제한이 있어야 한다.
세마포어, 뮤텍스 차이
- 세마포어는 뮤텍스가 될 수 있지만, 뮤텍스는 세마포어가 될 수 없다.
- 세마포어는 소유할 수 없으며, 뮤텍스는 소유할 수 있고 소유주가 그 책임을 진다.
- 뮤텍스의 경우 뮤텍스를 소유하고 있는 스레드가 이 뮤텍스를 해제할 수 있다. 하지만 세마포어는 소유하고 있지 않고 있는 다른 스레드가 세마포어를 해제할 수 있다.
- 뮤텍스는 동기화 대상이 1개일 때 사용하고 세마포어는 동기화 대상이 여러 개일때 사용한다.
뮤텍스와 세마포어의 목적은 특정 동기화 대상이 이미 특정 스레드나 프로세스에 의해 사용중일 경우,
다른 스레드가 해당 동기화 대상에 접근하는 것을 제한하는 것으로 동일하지만,
관리하는 동기화 대상이 몇개인가에 따라 차이가 생긴다.
두 기법 모두 완벽하지는 않다.
이 기법들을 사용하더라고 데이터 무결성을 보장할 수 없으며, 데드락이 발생할 수도 있다.
하지만 상호 배제를 위한 기본적인 기법이며 여기에 좀 더 복잡한 메커니즘을 적용해 꽤나 우아하게 동작하는 프로그램을 짤 수 있다.
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