동시성 제어 - 뮤텍스와 세마포어

 

뮤텍스와 세마포어를 알아보기전에 알아야하는 것은

 

공유 메모리와 임계 구역 문제

공유 메모리란 여러 프로세스나 스레드가 동시에 접근할 수 있는 메모리 영역을 말합니다.

예를 들어, 은행 시스템에서 여러 사용자가 같은 계좌 정보를 동시에 조회하거나 수정하는 상황을 생각해 볼 수 있습니다. 이때 문제가 되는 것은 임계 구역( Critical Section )입니다.

 

임계 구역은 여러 프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근하여 읽기나 쓰기를 하는 코드 영역을 말합니다.

이 구역에서 동시에 여러 프로세스가 작업을 수행하려고 하면 데이터가 일관되지 않게 될 수 있습니다.

예를 들어, 한 사용자가 돈을 입금하는 동시에 다른 사용자가 돈을 출금하려고 할 때, 올바르게 처리되지 않으면 계좌 잔액이 잘못될 수 있습니다. 이 문제를 동시성 문제라고 합니다.

 

이를 해결하기 위해 데이터를 한 번에 하나의 프로세스만 접근할 수 있도록 제한을 두는 동기화 방식을 해야하는데

이 동기화 도구에는 대표적으로 뮤텍스 ( Mutex )와 세마포어 ( Semaphore )가 있습니다.

 

교착 상태 ( DeadLock )

두 개 이상의 작업이 서로 상대방의 작업이 끝나기 만을 기다리고 있기 때문에

결과적으로 아무것도 완료되지 못한 상태 -> 무한 대기상태

 

교착 상태의 조건은

상호배제

프로세스들이 필요로 하는 자원에 대해 배타적인 통제권을 요구 한 번에 한 프로세스만 해당 자원을 사용할 수 있다.
사용 중인 자원을 다른 프로세스가 사용하려면 요청한 자원이 해제될 때까지 기다림

점유대기

프로세스가 할당된 자원을 가진 상태에서 다른 자원을 기다림

비선점

프로세스가 어떤 자원의 사용을 끝낼 때까지 그 자원을 뺏을 수 없음

순환대기

각 프로세스는 순환적으로 다음 프로세스가 요구하는 자원을 가짐

이렇게 네가지가 있고 이 조건 중에서 한 가지라도 만족하지 않으면 교착 상태는 발생하지 않는다.

위 4가지 조건은 서로 완전히 독립적인 것은 아니다.

교착 상태를 관리하는 방법도 예방, 회피, 무시, 발견 이렇게 네가지입니다.

 

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뮤텍스 ( Mutex )

Mutual Exclusion의 줄임말로, 말 그대로 상호 배제를 의미합니다.

뮤텍스는 오직 하나의 프로세스 또는 스레드만 임계 구역에 접근할 수 있도록 보장하는 도구입니다.

 

 

뮤텍스 락 (Lock): 임계 구역에 진입하려는 프로세스는 먼저 뮤텍스 락을 걸어야 합니다.

락( LOCK )을 건 프로세스가 작업을 끝낼 때까지 다른 프로세스는 대기해야 합니다.

작업이 끝나면 락을 해제하여 다른 프로세스가 임계 구역에 들어갈 수 있게 합니다.

 

예를들면 은행 계좌 ( 공유메모리 )에서 입금/출금 작업을 할 때,

뮤텍스를 사용하여 한 번에 한명의 사용자( 프로세스)만 계좌를 수정할 수 있게 합니다.  --> 데이터의 일관성 보장

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세마포어 ( Semaphore )

뮤텍스와 유사하지만, 더 일반적인 동기화 도구입니다.

세마포어는 한 번에 여러 개의 프로세스가 임계 구역에 진입할 수 있도록 허용할 수 있습니다.

이때 카운팅 세마포어와 이진 세마포어로 나뉩니다.

 

카운팅 세마포어 ( Counting Semaphore )

특정 리소스를 관리할 때, 몇 개의 프로세스가 임계 구역에 들어갈 수있는지 그 수를 제한할수 있습니다.

예를 들면

데이터베이스 연결 풀에서 최대 10개의 연결만 동시에 사용할 수 있도록 제한하는 경우에

10개의 프로세스가 임계 구역에 접근할 수 있고, 초과된 11번째 프로세스는 대기합니다.

 

 

이진 세마포어 ( binary semaphore )

뮤텍스처럼 동작하며, 동시에 한 개의 프로세스만 임계 구역에 접근할 수 있게 합니다.

 

예를 들면

서버에서 제한된 수의 클라이언트 요청을 처리할 때, 세마포어를 사용해 동시에 처리할 수 있는 요청의 개수를 제한할 수 있습니다. 이는 서버의 과부하를 방지합니다.

 

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ReentrantLock - Java ( 뮤텍스의 확장된 형태 )

Java에서는 뮤텍스의 기능을 확장한 ReentrantLock이라는 동기화 도구를 제공합니다.

ReentrantLock은 뮤텍스처럼 동작하지만, 몇 가지 추가적인 기능이 있습니다.

 

 

1. 재진입 가능(Reentrant): ReentrantLock을 소유한 스레드는 동일한 락을 여러 번 획득할 수 있습니다.

예를 들어, 어떤 스레드가 이미 ReentrantLock을 가지고 있을 때, 다시 락을 요청하면 대기 없이 즉시 사용할 수 있습니다

 

2. 공정성(Fairness) 옵션: ReentrantLock은 락을 공정하게 분배할 수 있습니다.

대기 중인 스레드들이 락을 먼저 요청한 순서대로 획득할 수 있게 해줍니다.

 

3. 타임아웃 및 인터럽트: ReentrantLock은 락을 시도하는 동안 타임아웃을 설정하거나 대기 중인 스레드를 인터럽트할 수 있는 기능을 제공합니다.

 

예를 들면

복잡한 자원 관리가 필요한 대형 애플리케이션에서 ReentrantLock을 사용하여 공정하게 자원을 분배하고,

데드락 ( DeadLock ) 같은 문제를 방지할 수 있습니다.

 

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결론

동시성 제어는 멀티스레드나 멀티프로세스 환경에서 필수적인 개념입니다.

하나의 자원에 여러 프로세스가 동시에 접근하면, 데이터 일관성이 깨지고, 예기치 않은 결과가 발생할 수 있습니다.

이를 방지하기 위해 뮤텍스와 세마포어 같은 동기화 도구를 사용합니다.

 

뮤텍스, 세마포어 등의 동기화 도구들을 적절히 사용하여 동시성 문제를 예방하고,

데이터의 무결성과 일관성을 유지하는 것이 중요합니다.

이 과정에서 데드락(교착 상태) 같은 부작용을 주의 깊게 다뤄야 하며, 적절한 도구를 선택하고 사용하는 것이 핵심입니다.