[운영체제] Mutex 뮤텍스와 Semaphore 세마포어의 차이

프로세스 간 메시지를 전송하거나, 공유메모리를 통해 공유된 자원에 여러 개의 프로세스가 동시에 접근하면 Critical Section(여러 프로세스가 데이터를 공유하며 수행될 때, 각 프로세스에서 공유 데이터를 접근하는 프로그램 코드 블록) 문제가 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해 데이터를 한 번에 하나의 프로세스만 접근할 수 있도록 제한을 두는 동기화 방식을 취해야 한다. 동기화 도구에는 대표적으로 뮤텍스(Mutex)와 세마포어(Semaphore)가 있다. 이들은 모두 공유된 자원의 데이터를 여러 스레드/프로세스가 접근하는 것을 막는 역할을 한다.

Mutex 뮤텍스

: 공유된 자원의 데이터 혹은 임계영역(Critical Section) 등에 하나의 Process 혹은 Thread가 접근하는 것을 막아줌 (동기화 대상이 하나)

임계구역(Critical Section)을 가진 스레드들의 실행시간(Running Time)이 서로 겹치지 않고 각각 단독으로 실행(상호배제_Mutual Exclusion)되도록 하는 기술입니다.

한 프로세스에 의해 소유될 수 있는 Key를 기반으로 한 상호배제 기법이고 Key에 해당하는 어떤 객체(Object)가 있으며, 이 객체를 소유한 스레드/프로세스만이 공유자원에 접근할 수 있습니다.
다중 프로세스들의 공유 리소스에 대한 접근을 조율하기 위해 동기화(Synchronization) 또는 락(Lock)을 사용함으로써 뮤텍스 객체를 두 스레드가 동시에 사용할 수 없습니다.

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뮤텍스는 화장실이 하나 밖에 없는 식당과 비슷합니다. 화장실을 가기 위해서는 카운터에서 열쇠를 받아 가야 하며 당신이 화장실을 가려고 하는데 카운터에 키가 있으면 화장실에 사람이 없다는 뜻이고 당신은 그 열쇠를 이용해 화장실에 들어갈 수 있다고 가정합니다.

카운터에 열쇠가 없기 때문에 화장실에 사람이 있다는 뜻이며 화장실을 사용할 수 없습니다. 여자가 나올 때 까지 기다려야 합니다.

곧이어 다른 사람도 화장실에 가려고 카운터에 대기하고 있습니다. 앞사람이 화장실에서 나와 카운터에 키를 돌려놓았습니다. 이제 기다리던 사람들 중 맨 앞에 있던 사람이 키를 받아 화장실에 갈 수 있습니다.

이것이 뮤텍스가 동작하는 방식입니다. 화장실을 이용하는 사람은 프로세스 혹은 쓰레드이며 화장실은 공유자원, 화장실 키는 공유자원에 접근하기 위해 필요한 어떤 오브젝트입니다. 즉, 뮤텍스는 Key에 해당하는 어떤 오브젝트가 있으며 이 오브젝트를 소유한 (쓰레드,프로세스) 만이 공유자원에 접근할 수 있습니다.

Semaphore 세마포어

: 공유된 자원의 데이터 혹은 임계영역(Critical Section) 등에 여러 Process 혹은 Thread가 접근하는 것을 막아줌 (동기화 대상이 하나 이상)

사용하고 있는 스레드/프로세스의 수를 공통으로 관리하는 하나의 값을 이용해 상호배제를 달성합니다. 공유 자원에 접근할 수 있는 프로세스의 최대 허용치만큼 동시에 사용자가 접근할 수 있으며, 각 프로세스는 세마포어의 값을 확인하고 변경할 수 있습니다.
자원을 사용하지 않는 상태가 될 때, 대기하던 프로세스가 즉시 자원을 사용하고. 이미 다른 프로세스에 의해 사용중이라는 사실을 알게 되면, 재시도 전에 일정시간 대기해야 합니다.
일반적으로 비교적 긴 시간을 확보하는 리소스에 대해 사용하게 됩니다.

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세마포어는 손님이 화장실을 좀 더 쉽게 이용할 수 있는 레스토랑입니다. 세마포어를 이용하는 레스토랑의 화장실에는 여러 개의 칸이 있고 화장실 입구에는 현재 화장실의 빈 칸 개수를 보여주는 전광판이 있다고 가정합니다.

만약 당신이 화장실에 가고 싶다면 입구에서 빈 칸의 개수를 확인하고 빈 칸이 1개 이상이라면 빈칸의 개수를 하나 뺀 다음에 화장실로 입장해야 하며 나올 때 빈 칸의 개수를 하나 더해줍니다.

모든 칸에 사람이 들어갔을 경우 빈 칸의 개수는 0이 되며 이때 화장실에 들어가고자 하는 사람이 있다면 빈 칸의 개수가 1 혹은 양수로 바뀔 때까지 기다려야 합니다.

이처럼 세마포어는 공통으로 관리하는 하나의 값을 이용해 상호배제를 달성합니다. 세마포어도 아까와 똑같이 화장실이 공유자원이며 사람들이 쓰레드, 프로세스이다. 그리고 화장실 빈칸의 개수는 현재 공유자원에 접근할 수 있는 쓰레드,프로세스의 개수를 나타냅니다.

차이점

가장 큰 차이점은 동기화 대상의 개수 즉, 위에서 예시든 화장실의 갯수 입니다.

• Mutex는 동기화 대상이 오직 1개일 때 사용하며, Semaphore는 동기화 대상이 1개 이상일 때 사용합니다.
• Mutex는 자원을 소유할 수 있고, 책임을 가지는 반면 Semaphore는 자원 소유가 불가합니다.
• Mutex는 상태가 0, 1 뿐이므로 Lock을 가질 수 있고, 소유하고 있는 스레드만이 이 Mutex를 해제할 수 있습니다. 반면 Semaphore는 Semaphore를 소유하지 않는 스레드가 Semaphore를 해제할 수 있습니다.
• Semaphore는 시스템 범위에 걸쳐 있고, 파일 시스템 상의 파일로 존재합니다. 반면, Mutex는 프로세스의 범위를 가지며 프로세스 종료될 때 자동으로 Clean up 됩니다.

뮤텍스와 세마포어는 모두 완벽한 기법은 아니므로 데이터 무결성을 보장할 수는 없으며 모든 교착상태를 해결하지는 못합니다. 하지만 상호배제를 위한 기본적인 문법이며 여기에 좀 더 복잡한 매커니즘을 적용해 개선된 성능을 가질 수 있도록 하는 것이 중요합니다.