2014. 8. 14. 10:47

1. 뮤텍스 기본 정의 


뮤텍스는 한 번에 하나의 쓰레드만이 실행되도록 하는 재 입장할 수 있는 코드 섹션에 직렬화된  접근이 가능하게 할 때 사용됩니다. 뮤텍스 객체는 제어되는 섹션에 하나의 쓰레드만을 허용하기 때문에 해당 섹션에 접근하려는 다른 쓰레드들을 강제적으로 막음으로써 첫 번째 쓰레드가 해당 섹션을 빠져나올 때까지 기다리도록 합니다.


뮤텍스는 화장실에 들어가기 위한 열쇠로 비유할 수 있습니다. 즉 화장실에 들어갈 수 있는 열쇠를 한 사람이 갖고 있다면, 한 번에 열쇠를 갖고 있는 그 한 사람만이 들어갈 수 있습니다. 화장실에 열쇠를 갖고 있는 사람이 들어가 볼일을 다 본 후에는 줄을 서서 기다리고 있는(대기열-큐) 다음 사람에게 열쇠를 주게 됩니다.  



세마포어는 공유 리소스에 접근할 수 있는 최대 허용치만큼 동시에 사용자 접근을 할 수 있게 합니다. 쓰레드들은 리소스 접근을 요청할 수 있고 세마포어에서는 카운트가 하나씩 줄어들게 되며 리소스 사용을 마쳤다는 신호를 보내면 세마포어 카운트가 하나 늘어나게 됩니다.


뮤텍스는 값이 1인 세마포어입니다.

 

세마포어는 빈 화장실 열쇠의 갯수라고 보면 됩니다. 즉, 네 개의 화장실에 자물쇠와 열쇠가 있다고 한다면 세마포어는 열쇠의 갯수를 계산하고 시작할 때 4의 값을 갖습니다. 이 때는 이용할 수 있는 화장실 수가 동등하게 됩니다. 이제 화장실에 사람이 들어갈 때마다 숫자는 줄어들게 됩니다. 4개의 화장실에 사람들이 모두 들어가게 되면 남은 열쇠가 없게 되기 때문에 세마포어 카운트가 0이 됩니다. 이제 다시 한 사람이 화장실에서 볼일을 다 보고 나온다면 세마포어의 카운트는 1이 증가됩니다. 따라서 열쇠 하나가 사용가능하기 때문에 줄을 서서 기다리고 있는 다음 사람이 화장실에 입장할 수 있게 됩니다.


2. 언제 사용하나요?


Process 혹은 Thread 간의 communication / 통신 시에 shared memory (공유 메모리) 등을 쓰는 경우에 하나의 자원 (Resource or memory or even files) 에 두 개 이상의 process or thread 가 write 을 하는 경우에 문제가 발생한다. 이를 방지하기 위해 하나의 process 혹은 thread 만이 resource 에 접근하여 write 을 할 수 있도록 제어해 주어야 하고, 이 때에 Mutex 혹은 Semaphore 를 사용한다. Thread 에서는 MuTex 를 사용하고, Process 에서는 Semaphore 를 사용한다.




3. 뮤텍스 상세

공유 자원에 대한 접근 제어 

다수의 객체가 공유 자원에 접근하려고 하면, (공유 자원의 종류에 따라서)접근 시점을 동기화 시켜줄 필요가 생긴다. 여기에서 동기화란 시간과 공간을 맞추어 준다는 의미로, 즉 공유 자원 영역 (공간)에 접근하는 객체들의 진입 시간을 제어할 수 있어야 함을 의미한다.

멀티 Thread(쓰레드) 프로그램 역시 공유 자원에 여러 개의 쓰레드가 접근할 수 있으므로 공유 자원 영역에 대한 동기화가 필요 하다.

카운팅 프로그램을 예를 들어 보자. 카운트 변수는 전역:::변수(:12)로 A,B 두개의 쓰레드가 공유하면서, 1씩 증가하는 카운팅 정보를 유지하기 위해 사용된다. 공유 자원 영역 즉 "count 값을 읽어 오고, 연산을 해서 저장하는" 영역에 대한 쓰레드간 동기화가 이루어지지 않는 다면 아래와 같은 일이 발생할 수 있을 것이다.
  1. global int count = 0
  2. A 쓰레드가 count값 0을 읽는다.
  3. B 쓰레드가 count값 0을 읽는다.
    • A 쓰레드가 카운팅 연산을 하기 전에 B쓰레드가 접근해 버린 상황이다.
  4. A 쓰레드가 count+1 연산을 하고 값을 쓴다. count = 1
  5. B 쓰레드가 count+1 연산을 하고 값을 쓴다. count = 1
A와 B쓰레드가 한번씩 카운팅 연산을 했으므로, count값은 2가 되어야 하겠지만, 실제로는 1이 저장되어 버렸다.

이러한 문제의 해결을 위해서 쓰레드를 동기화 시켜줄 필요가 있다..


일반적으로 동기화는 "공간과 시간"을 제어하는 방식으로 이루어진다. 즉 "접근 제어가 필요한 공간"을 지정하고 지정한 "공간에 진입 할 수 있는 시간"을 제어하는 방식이다.


여기에서 "접근 제어가 필요한 공간"에는 보호 해야 할 공유 자원이 놓인다. 보호 해야할 공유 자원이 있는 공간을 임계 영역이라고 한다. 시간 제어는 해당 임계 영역에 동 시간에 단지 하나의 쓰레드만 접근하도록 제한 하는 방식으로 이루어진다.


임계영역에 들어가기 위한 하나의 키를 가지고 경쟁하는 것으로 이해하면 된다. 임계영역에 들어가기 위한 키는 단지 하나 밖에 없으므로 어떤 스레드가 키를 얻어서 임계영역에 진입하면, 다른 스레드는 키를 얻을 때까지 - 앞서 임계영역에 진입한 프로세스가 키를 되돌려줄 때까지 - 기다려야 한다.


 

위의 카운팅 프로그램을 예로 설명해보자. 임계 영역은
  1. count 값을 읽어와서
  2. 카운팅 연산을 하고
  3. 연산 결과를 저장하는
코드 영역으로 지정할 수 있을 것이다.


이 임계 영역에는 오직 하나의 쓰레드만이 진입할 수 있다. 즉 쓰레드 A가 임계 영역에 진입해서 코드를 수행중에 있다면 쓰레드 B는 임계 영역 밖에서 기다려야 한다. 이렇게 쓰레드를 동기화 시킴으로써, 아래와 같이 제대로된 카운팅 연산을 보장할 수 있게 된다.
  1. global int count = 0;
  2. A 쓰레드가 임계 영역에 진입
  3. B 쓰레드도 임계 영역 진입을 시도하지만, A 쓰레드가 진입해 있으므로 임계 영역 밖에서 대기한다.
  4. A 쓰레드가 count 값을 읽고
  5. 카운팅 연산을 해서
  6. 값을 저장한다. count = 1
  7. A 쓰레드가 임계 영역에서 빠져나온다.
  8. 비로서 B 쓰레드가 임계 영역에 진입해서
  9. count 값 1을 읽어서 카운팅 연산을 하고 저장한다. count = 2
제대로 카운팅 연산이 되는걸 확인할 수 있다.

Mutex 

뮤텍스는 pthread에서 제공하는 동기화 매커니즘으로 공유 자원 공간에 대한 접근 시간 제어로 동기화를 달성한다. 기본적인 매커니즘은 세마포어(:12)와 비슷하다. 특히 POSIX(:12) 세마포어와 비슷하며, 동기화 매커니즘으로 뮤텍스 대신 세마포어를 사용할 수도 있다. 동기화 매커니즘의 핵심은 상호 배제로 다음과 같이 달성 한다.

global int v = 1;
lock()
{
    while(1)
    {
        if (v==1)
            break;
    }
    v = 0;
    return 1;
}

unlock()
{
    v = 1;
    break;
}
어디까지나 매커니즘 상으로 그렇다는 얘기고, 세마포어와 마찬가지로 busy wait 상태에 놓이지 않음을 보장한다.

상호 배제는 잠금 형식으로 이루어진다. 쓰레드는 잠금 v를 얻어야 임계 영역에 진입할 수 있다. 임계 영역을 빠져나오면 잠금을 되돌려 줘서 다른 쓰레드가 잠금을 얻을 수 있도록 한다.

뮤텍스 메커니즘의 특징을 정리했다.

  • Atomicity - mutex 잠금(lock)는 최소단위 연적(atomic operation) 으로 작동한다. 이말의 뜻은 하나의 쓰레드가 mutex 를 이용해서 잠금을 시도하는 도중에 다른 쓰레드가 mutex 잠금을 할수없도록 해준다는 뜻이다. 한번에 하나의 mutex 잠금을 하도록 보증해준다.
  • Singularity - 만약 스레드가 mutex 잠금을 했다면, 잠금을 한 쓰레드(:12)가 mutex 잠금을 해제 하기 전까지 다른 어떠한 쓰레드도 mutex 잠금을 할수 없도록 보증해준다.
  • Non-Busy Wait - 바쁜대기 상태에 놓이지 않는다는 뜻으로, 하나의 쓰레드가 mutex 잠금을 시도하는데 이미 다른 쓰레드가 mutex 잠금을 사용하고 있다면 이쓰레드는 다른 쓰레드가 락을 해제하기전까지 해당 지점에 머물러 있으며 이동안은 어떠한 CPU 자원도 소비하지 않는다 (이를테면 sleep). 

뮤텍스 만들기 

뮤텍스를 생성하기 위해서 우리는 먼저, 뮤텍스정보를 저장하기 위한 타입인 pthread_mutex_t 를 선언해주고 이것을 초기화 해주어야 한다. 선언과 초기화의 가장간단한 방법은 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 상수를 할당하는 것으로 아래와 같이 사용할수 있다.
pthread_mutex_t a_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

혹은 pthread_mutex_init(3)함수로 뮤텍스를 생성할 수도 있다.
#include <pthread.h>

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t * mutex, const pthread_mutex_attr *attr);
;;;


뮤텍스 잠금, 잠금해제, 제거 

뮤텍스 잠금을 위한 함수로는 pthread_mutex_lock() 함수를 제공한다. 이 함수는 해당 뮤텍스에 대해서 잠금을 시도하는데, 만약 잠그려는 뮤텍스가 다른 쓰레드에 의해서 이미 잠겨있다면, 잠금을 얻을수 있을때까지 - 이미 잠근 다른 쓰레드가 뮤텍스의 잠금을 해제할때까지 - 봉쇄(블럭)되게 된다. 다음은 이러한 뮤텍스 잠금을 얻기 위한 지원함수들이다.
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_destory(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_trylock() 를 사용하면 잠금을 얻을수 없을경우 해당 코드에서 블럭되지 않고 바로 에러코드를 돌려준다. 즉 pthread_mutex_lock 의 비봉쇄 버젼이라고 생각하면 된다.

뮤텍스 잠금을 얻은후 해당 영역에서의 작업을 마친후 잠금을 해제하기 위해서 사용한다. 사용되는 함수는 pthread_mutex_unlock(3) 이며 함수원형은 다음과 같다.
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
다음은 쓰레드간 공유되는 자원을 위해서 잠금을 어떻게 사용하는지를 보여주는 간단한 예제다.

예제: mutex_lock.c
#include <stdio.h>  
#include <unistd.h>  
#include <pthread.h>  
 
int ncount;    // 쓰레드간 공유되는 자원 
pthread_mutex_t  mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 쓰레드 초기화 
 
void* do_loop(void *data) 
{ 
    int i; 
    for (i = 0; i < 10; i++) 
    { 
        pthread_mutex_lock(&mutex); // 잠금을 생성한다. 
        printf("loop1 : %d\n", ncount); 
        ncount ++; 
        if(i == 10) return;
        pthread_mutex_unlock(&mutex); // 잠금을 해제한다. 
        sleep(1); 
    } 
} 
 
void* do_loop2(void *data) 
{ 
    int i; 
 
    // 잠금을 얻으려고 하지만 do_loop 에서 이미 잠금을  
    // 얻었음으로 잠금이 해제될때까지 기다린다.   
    for (i = 0; i < 10; i++) 
    { 
        pthread_mutex_lock(&mutex); // 잠금을 생성한다. 
        printf("loop2 : %d\n", ncount); 
        ncount ++; 
        pthread_mutex_unlock(&mutex); // 잠금을 해제한다. 
        sleep(2); 
    } 
}     
 
int main() 
{ 
    int       thr_id; 
    pthread_t p_thread[2]; 
    int status; 
    int a = 1; 
 
    ncount = 0; 
    thr_id = pthread_create(&p_thread[0], NULL, do_loop, (void *)&a); 
    sleep(1); 
    thr_id = pthread_create(&p_thread[1], NULL, do_loop2, (void *)&a); 
 
    pthread_join(p_thread[0], (void *) &status); 
    pthread_join(p_thread[1], (void *) &status); 
 
    status = pthread_mutex_destroy(&mutex); 
    printf("code  =  %d", status); 
    printf("programing is end"); 
    return 0; 
} 
위의 코드를 우선 mutex 잠금을 하지 않은체 컴파일후 실행해보자. 간단하게 pthread_mutext_lock 와 pthread_mutex_unlock 부만 주석처리하면 된다. 그러면 do_loop2 와 do_loop 가 일정한 간격을 두고 ncount 자원에 접근하는 것을 볼수 있을것이다. 그러나 우리는 do_loop 가 ncount 자원을 접근하고 있는동안 다른 쓰레드가 접근하지 않기를 원할때가 있을것이다. 이럴때 뮤텍스 잠금을 사용하면 된다.

위의 코드에서 뮤텍스 잠금 부분의 주석을 풀고 다시 컴파일해서 실행시켜보면, do_loop 쓰레드가 ncount 증가 작업을 모두 마칠때까지 do_loop2 쓰레드는 해당 영역에서 블럭됨을 알수 있을것이다. 이런식으로 하나의 쓰레드가 특정자원에 접근할때 다른 쓰레드가 접근하지 못하도록(한번에 하나의 쓰레드만 해당 자원에 접근할수 있도록) 제어할수 있다.

컴파일 방법은 gcc -o mutex_lock mutex_lock.c -lpthread 이다

더이상 뮤텍스를 사용할일이 없다면 pthread_mutex_destory 를 이용해서 뮤텍스 자원을 제거(free) 하도록 한다. 만일 뮤텍스자원을 사용하는 쓰레드가 하나라도 존재한다면 에러코드(EBUSY)를 리턴한다. 그러므로 모든 쓰레드의 뮤텍스에 대해서 pthread_mutex_unlock 을 이용해서 잠겨져야만 뮤텍스 제거가 성공할수 있다. 성공할경우 0을 넘겨준다.



4. java 상세 보기

“MUTual EXclusion 으로 상호배제라고도 한다. Critical Section을 가진 스레드들의 Runnig Time이 서로 겹치지 않게 각각 단독으로 실행되게 하는 기술이다. 다중 프로세스들의 공유 리소스에 대한 접근을 조율하기 위해 locking과 unlocking을 사용한다. 즉, 쉽게 말하면 뮤텍스 객체를 두 스레드가 동시에 사용할 수 없다는 의미이다.” (from reference #1)

“제어되는 섹션에 하나의 쓰레드만을 허용하기 때문에 해당 섹션에 접근하려는 다른 쓰레드들을 강제적으로 막음으로써 첫 번째 스레드가 해당 섹션을 빠져나올 떄 까지 기다린다. 예) Niclas Winquits씨가 2005년에 쓴 화장실 비유 뮤텍스는 화장실에 들어가기 위한 열쇠로 비유할 수 있다. 즉 화장실에 들어갈 수 있는 열쇠를 한 사람이 갖고 있다면 한번에 그 한 사람만 들어 갈 수 있다. 화장실에 들어간 사람이 나오면 줄을 서서 기다리는 다음 사람(대기열-큐)에게 열쇠를 주게 된다.” (from reference #2)

Mutex Implementation in Java (from reference #4)

public Class MyClass {
  private static Object lock = new Object();
  public void myMethod() {
    // Stuff that multiple threads can execute simultaneously.
    synchronized(MyClass.lock) {
      // Stuff that only one thread may execute at a time.
    }
  }
}

MyClass 의 instance 들은 lock 이라는 object 를 공유하고 (note ‘static’), shared resource 에 write 을 하기 이전에 test and set (lock 이 free 한지 test 해보고, free 하다면 lock 을 set 하고 critical section 에 진입, critical operation 을 마치고 free lock) 을 한다. Java 의 synchronized keyword 는 thread-safe 를 guarantee 한다. (후에 Java Synchronized keyword 관련 포스팅 요망)

Semaphore 란?

” 세마포어는 리소스의 상태를 나타내는 간단한 카운터로 생각할 수 있다. 일반적으로 비교적 긴 시간을 확보하는 리소스에 대해 이용한다. 유닉스 시스템의 프로그래밍에서 세마포어는 운영체제의 리소스를 경쟁적으로 사용하는 다중 프로세스에서 행동을 조정하거나 또는 동기화 시키는 기술이다. 세마포어는 운영체제 또는 커널의 한 지정된 저장장치 내 값으로서, 각 프로세스는 이를 확인하고 변경할 수 있다. 확인되는 세마포어의 값에 따라, 그 프로세스가 즉시 자원을 사용할 수 있거나, 또는 이미 다른 프로세스에 의해 사용 중이라는 사실을 알게 되면 재시도하기 전에 일정 시간을 기다려야만 한다. 세마포어는 이진수 (0 또는 1)를 사용하거나, 또는 추가적인 값을 가질 수도 있다. 세마포어를 사용하는 프로세스는 으레 그 값을 확인하고, 자원을 사용하는 동안에는 그 값을 변경함으로써 다른 세마포어 사용자들이 기다리도록 해야한다. ” (from reference #1)

” 공유 리소스에 접근할 수 있는 최대 허용치만큼 동시에 사용자 접근을 할 수 있게 한다. 쓰레드들은 리소스 접근 요청을 할 수 있고 세마포어에서는 카운트가 하나씩 줄어들게 되며 리소가 모두 사용 중 인경우(카운트 0) 다음 작업은 대기를 하게 된다. 리소스 사용을 마쳤다는 신호를 보내면 카운트가 하나 늘어나게 되고 다음 작업이 사용 할 수 있다. 예) 세마포어는 빈 화장실 열쇠의 갯수에 비유할 수 있다. 즉 비어있는 칸 만큼 열쇠가 있다고 가정하면 사람들이 화장실에 들어갈 때 마다 열쇠의 숫자는 줄어 들게 된다. 화장실 칸이 다 찰 경우 카운트는 0이 되며 다음 사람은 줄을 서서 기다린다. 볼일을 끝내고 나오면 리소스 사용을 마쳣다는 신호로 카운트를 하나 늘이고 다음 사람에게 부여 한다. ” (from reference #2)

Semaphore Implementation in Java (needs to be updated)

- Mutex 의 구현과 유사하다. Mutex 의 경우 0과 1의 두 상태 뿐인 lock 인 대신, Semaphore 의 경우 counter 여야 하고, lock 이 true 인지 확인하는 대신 counter 가 0 혹은 max # of threads allowed (구현 방식에 따라 min or max 를 취하는 방식) 인지를 확인하여, test and set 으로 critical section 에 진입하면 counter 를 1 증가 혹은 감소시키고, shared resource 에 write 하는 등의 작업이 끝난 뒤 critical section 을 exit 하면서 counter 를 되돌린다.

e) Mutex and Semaphore

- critical section 에서 (즉, mutex 의 lock 가지고 있거나 semaphore 의 counter 를 하나 소비 중인) processing time 이 오래 걸리는 경우는 어떻게 처리하나 -> time-out 을 설정하여 이를 관리한다. (추가 조사 + 포스팅 필요)

f) Mutex vs Semaphore (from reference #1)

  1. 세마포어는 뮤텍스가 될 수 있지만 뮤텍스는 세마포어가 될 수 없다. (mutex 는 상태가 0, 1 두 개 뿐인 binary semaphore 이다)
  2. 세마포어는 소유할 수 없는 반면 뮤텍스는 소유가 가능하며 소유주가 이에 대한 책임을 진다. (mutex 의 경우 상태가 두개 뿐인 lock 이므로 lock 을 ‘가질’ 수 있다.)
  3. 뮤텍스의 경우 뮤텍스를 소유하고 있는 쓰레드가 이 뮤텍스를 해제할 수 있다. 하지만 세마포어의 경우 이러한 세마포어를 소유하지 않는 스레드가 세마포어를 해제할 수 있다.
  4. 세마포어는 시스템 범위에 걸쳐있고 파일시스템상의 파일 형태로 존재한다. 반면 뮤텍스는 프로세스 범위를 가지며 프로세스가 종료될 때 자동으로 clean up된다.
  5. ★★★ 가장 큰 차이점은 관리하는 동기화 대상이 갯수이다. 뮤텍스는 동기화 대상이 오직 하나뿐일 때, 세마포어는 동기화 대상이 하나 이상일 때 사용한다.




정리참조: 
http://www.joinc.co.kr/modules/moniwiki/wiki.php/Site/Thread/Beginning/Mutex

http://www.gpgstudy.com/forum/viewtopic.php?t=6198&highlight=%BC%BC%B8%B6%C6%F7%BE%EE

http://crack-tech-interview.com/2014/01/26/semaphore-%EC%99%80-mutex-mutual-exclusion/


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