[Java] 뮤텍스 Mutex & 세마포어 Semaphore

출처

ChatGPT

 

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1. 뮤텍스 Mutex

Mutaul Exclusion의 약자.

한 번에 하나의 스레드만 공유 자원에 접근하도록 보장한다.

Lock Mechanism 잠금 매커니즘

락(lock)은 자원을 사용할 대 다른 스레드의 접근을 차단하고, 자원의 소유권을 갖는 방식이다. 뮤텍스는 자원을 잠그는(lock) 역할을 하며, 그 자원은 뮤텍스를 소유한 하나의 스레드만 접근할 수 있다.

Lock Mechanism의 작동 방식

• 스레드는 자원에 접근할 때 락을 획득한다.
• 자원 사용이 끝나면 락을 해제해 다른 스레드가 접근할 수 있게 한다.

특징

• 락을 사용하는 스레드만 자원을 사용하고, 다른 스레드는 락이 해제될 때까지 대기해야 한다.
• 뮤텍스는 단일 스레드의 접근만을 허용해 스레드 안전성을 보장한다.

구현

자바에서는 synchronized 키워드나 ReentrantLock 클래스를 이용해 뮤텍스를 구현할 수 있다.

 

1. synchronized

특정 코드 블록이나 메소드에 사용되어, 해당 코드가 실행될 때 단 하나의 스레드만 접근할 수 있게 한다.

public synchronized void criticalSection() {
    // 하나의 스레드만 접근 가능
}

 

2. ReentrantLock

더 정교한 락을 구현하기 위해 사용된다. tryLock(), lockInterruptibly()와 같은 다양한 기능을 제공한다.

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public void criticalSection() {
    lock.lock();
    try {
        // 하나의 스레드만 접근 가능
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

 

2. 세마포어 Semaphore

특정 자원에 접근할 수 있는 스레드 수를 제한하는 동기화 기법

Signal Mechanism 신호 메커니즘

스레드가 자원을 요청할 때, 세마포어의 신호(허가)를 통해 자원의 접근 여부를 알려주고, 그 신호에 따라 접근이 허용되거나 대기하게 되는 방식이다.

작동 방식

• 스레드가 자원에 접근하려고 할 때, acquire()를 호출해 세마포어의 허가를 요청한다.
• 허가가 남아 있으면 자원에 접근할 수 있고, 그렇지 않으면 대기 상태가 된다.
• 자원 사용이 끝난 후 release()를 호출해 허가를 반환하고, 대기 중인 다르 스레드가 자원에 접근할 수 있도록 신호를 보낸다.

• acquire() : 세마포어의 허가(permission)을 요청하는 역할을 한다. 세마포어의 현재 허가 가능 수가 0보다 크면 스레드는 즉시 접근 권한을 얻고 자원에 접근할 수 있다. 반면, 허가 가능 수가 0이라면, 해당 스레드는 자원에 접근하기 위해 대기 상태에 놓이게 된다.
• release() : 자원의 사용이 끝난 후, 접근 권한을 반환하는 역할을 한다. 이를 통해 다른 대기 중인 스레드가 자원에 접근할 수 있게 된다. 

특징

세마포어는 허용된 수의 쓰레드까지만 자원에 접근할 수 있도록 제어한다. 예를 들어, 세마포어가 3이라면 최대 3개의 스레드가 동시에 자원에 접근할 수 있다.

 

1. 바이너리 세마포어

값이 1인 세마포어로, 뮤텍스와 유사하게 작동한다.

 

2. 카운팅 세마포어

1보다 큰 값으로 설정되어 여러 스레드가 동시에 접근할 수 있게 허용한다.

구현

자바에서는 java.util.concurrent.Semaphore 클래스를 통해 세마포어를 사용할 수 있다.

Semaphore semaphore = new Semaphore(3); // 최대 3개의 스레드가 접근 가능

public void accessResource() {
    try {
        semaphore.acquire();
        // 최대 3개의 스레드만 접근 가능
    } catch (InterruptedException e) {
        Thread.currentThread().interrupt();
    } finally {
        semaphore.release();
    }
}

 

🤔 뮤텍스가 있는데 왜 세마포어도 있는거지?

뮤텍스와 세마포어 둘다 공유 자원에 대한 접근을 제어하지만, 각각의 사용 목적이 다르고 그 차이점 때문에 둘 다 필요하다. 

1. 동기 접근 제어의 필요성

• 뮤텍스는 자원에 대해 한 번에 하나의 스레드만 접근할 수 있게 하나. 따라서 한정된 자원을 독점적으로 사용해야 할 때 적합하다.
• 일부 자원은 여러 스레드가 동시에 접근해도 문제가 없는 경우가 있다. 이럴 때 세마포어를 사용해 제한된 수의 스레드가 동시에 접근할 수 있도록 제어하는 것이 더 효율적이다.

2. 자원의 효율적 사용

• 뮤텍스는 한 번에 하나의 스레드만 자원을 점유하기 때문에 경우에 따라 비효율적일 수 있다. 자원이 충분히 병렬로 처리될 수 있는데도 한 스레드씩 접근하도록 제한하면 시스템의 효율이 떨어진다.
• 카운팅 세마포어를 사용하면 자원을 여러 스레드가 동시에 사용할 수 있게 되어 자원의 활용도를 높일 수 있다. 
  • 예 : 프린터 서버에서 여러 대의 프린터를 동시에 사용할 수 있게 하려면 세마포어가 더 적합하다

3. 더 유연한 동기화 제어

• 뮤텍스는 독점적 접근을 보장하는 간단한 방식이나 사용이 편리하지만, 세마포어는 여러 자원의 동시 접근을 관리하는 데 있어 훨씬 더 강력한 도구가 된다.
• 세마포어는 특정 리소스에 대한 접근 가능성을 동적으로 제어할 수 있다.
  • 예 : 자원의 상태에 따라 acquire(), release()를 통해 접근 가능 수를 조절할 수 있기 때문 상황에 맞게 자원을 유연하게 관리할 수 있다.