[운영체제] 동시성 이슈 해결 방법 - Semaphore/Mutex

지난 포스팅에서 동시성 문제인 '레이스 컨디션'과 '데이터 레이스'에 대해 알아보았다.

이번 포스팅에서는 그 해결 방법인 Semaphore과 Mutex에 대해 알아보자.

동시성 이슈

주요 원인 :

• data race
  • 데이터 접근 절차는 atomic하지 않음 (읽기->연산->쓰기)
  • 단일 코어 : 하나의 instructor 실행 중 cpu 사용 권한을 뺏기는 경우 동시에 같은 memory address 읽을 가능성 존재
  • 멀티 코어 : 여러 cpu에서 동시에 같은 memory address 읽을 가능성 존재
• race condition
  • 멀티 스레드 : 프로세스의 공유 데이터 사용 중 발생
  • 멀티 프로세스 : 커널 내부의 공유 데이터 사용 중 발생

해결 방법 :

• 단일 코어 : 공유 자원에 접근한 경우 계속해서 그 프로세스가 cpu를 점유하도록 는 방법 (context switching을 막음)
• 멀티 코어 : 공유 자원에 접근한 경우 해당 자원에 다른 프로세스가 접근할 수 없게 lock을 거는 방법

 

Java에서 지원하는 동기화 기법

1. 세마포어(Semaphore)
2. 뮤텍스(Mutex)

세마포어(Semaphore)

• N개의 스레드만 공유 자원에 접근 가능하도록 제어
• N개의 허가증 -> 허가증을 가진 스레드만 접근 가능 / 남은 허가증 없으면 허가증이 반납될 때까지 대기
• 카운팅 세마포어(Counting Semaphore)라고도 함 
• java.util.concurrent.Semaphore

예제 코드

public class SemaphoreExample {
    private final Semaphore semaphore = new Semaphore(3); //동시에 3개의 스레드만 접근 가능

    public void accessResource(int threadId) { //해당 스레드가 자원에 접근할 수 있는지 확인 & 작업 수행 후 자원 반납하게 하는 메서드
        try {
            System.out.println("Thread " + threadId + " is trying to access the resource.");
            semaphore.acquire(); //자원 획득 시도
            
            System.out.println("Thread " + threadId + " is accessing the resource.");
            Thread.sleep(1000); //자원 획득 후 작업 수행 //지연 시간 추가
            
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
            
        } finally {
            System.out.println("Thread " + threadId + " is releasing the resource.");
            semaphore.release(); //자원 반납
        }
    }
}

Semaphore.acquire() : 자원 획득 -> 허가증 개수(접근 가능한 스레드 개수)를 감소시킴

Semaphore.release() : 자원 반납 -> 허가증 개수(접근 가능한 스레드 개수)를 증가시킴

• acquire()로 자원 획득 시도했으나 허가증이 남아있지 않다면 해당 스레드는 자발적으로 대기(blocked) 상태로 전환
• 다른 스레드가 release()로 허가증을 반환하면서 대기 중이던 스레드를 깨우고 실행 대기 상태로 만듦
• 허가증 하나가 release()되면 대기 중이던 스레드가 실행됨 

테스트 코드

class SemaphoreExampleTest {

    @Test
    @DisplayName("Semaphore로 자원접근")
    void semaphoreAccess() throws InterruptedException {
        final SemaphoreExample example = new SemaphoreExample();
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10); //스레드 풀에 미리 병렬 작업할 10개의 스레드를 생성해둠

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int threadId = i;
            executor.submit(() -> example.accessResource(threadId)); //스레드에 task를 할당
        }

        executor.shutdown(); //모든 task 수행이 완료되면 executor service(스레드 풀)종료
        boolean finished = executor.awaitTermination(20, TimeUnit.SECONDS); //최대 20초간 스레드 작업이 완료되길 기다림
        assert finished; //작업 완료 여부 확인
    }
}

이미지 출처 :  https://www.baeldung.com/thread-pool-java-and-guava

 

 

최대 3개의 스레드가 접근 가능

허가증을 반환해야 대기 중이던 스레드가 접근할 수 있다 

 

 

뮤텍스(Mutex)

• 1개의 스레드만 공유 자원에 접근 가능하도록 제어 
• 1개의 lock -> lock을 가진 스레드만 접근 가능 / lock이 이미 사용되고 있으면 lock이 반납될 때까지 대기
• 이진 세마포어(Binary Semaphore)
• java.util.concurrent.locks.ReentrantLock

 

예제 코드

public class MutexExample {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();

    public void accessResource(int threadId) { //해당 스레드가 자원에 접근할 수 있는지 확인 & 작업 수행 후 자원 반납하게 하는 메서드
        System.out.println("Thread " + threadId + " is trying to access the resource.");
        lock.lock(); //자원 획득 시도
        
        try {
            System.out.println("Thread " + threadId + " is accessing the resource.");
            Thread.sleep(1000); //자원 획득 후 작업 수행 //지연 시간 추가
            
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
            
        } finally {
            System.out.println("Thread " + threadId + " is releasing the resource.");
            lock.unlock(); //자원 반납
        }
    }
}

Lock.lock(): 자원 획득 -> lock hold count를 1로 변경

Lock.unlock() : 자원 반납 -> lock hold count를 0으로 변경 

• lock()으로 접근 시도했으나 이미 다른 스레드가 사용 중이라면 해당 스레드는 대기(blocked) 상태로 전환
• 현재 자원 점유 중인 스레드가 unlock()할 때까지 대기

테스트 코드

class MutexExampleTest {
    @Test
    @DisplayName("Mutex로 자원접근")
    void mutexAccess() throws InterruptedException {
        final MutexExample example = new MutexExample();
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5); //스레드 풀에 미리 병렬 작업할 5개의 스레드를 생성해둠

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int threadId = i;
            executor.submit(() -> example.accessResource(threadId)); //스레드에 task를 할당 
        }

        executor.shutdown(); //모든 task 수행이 완료되면 executor service(스레드 풀) 종료
        boolean finished = executor.awaitTermination(10, TimeUnit.SECONDS); //최대 10초간 스레드 작업이 완료되길 기다림
        assert finished; //작업 완료 여부 확인
    }
}

최대 1개의 스레드가 접근 가능

스레드가 lock을 반환해야 다른 스레드가 접근할 수 있음 

 

Mutex의 문제점

• Deadlock
  • 두 스레드 모두 R1, R2가 필요
  • 스레드1이 먼저 R1에 lock을 걸고 자원을 점유
  • 뒤이어 스레드2가 R2에 lock을 걸고 자원을 점유
  • 스레드 1,2는 서로가 가진 자원을 얻기 위해 무한 대기

 

-> 이 문제를 해결하기 위해서는 스레드가 자원을 점유하는 순서를 정하든가(스레드1, 2 모두 p1을 첫 번째로, p2를 두 번째로 점유해야만 하도록 만들면 deadlock발생 위험을 줄일 수 있음), 스레드가 lock을 갖고 있는 시간에 타임 아웃을 걸면 된다.

 

Semaphore와 Mutex 비교

	Semaphore	Mutex
동작 방식	하나의 자원에 여러 스레드가 동시에 접근	하나의 자원에 한 개의 스레드만 접근
자원의 소유권	소유권이 존재하지 않음	lock을 획득한 스레드가 자원을 소유
사용 목적	리소스의 접근 횟수를 제한하기 위해	데이터 무결성을 보장하기 위해
사용 예시	API 호출 제한  DB 커넥팅 풀	파일 쓰기 작업  DB 트랜잭션
Java에서 제공하는 메서드	aquire() release()	lock() unlock()
문제점	설계 및 디버깅이 복잡하다	Deadlock

세마포어는 주로 네트워크나 DB의 최대 연결 횟수를 제한하여 서버 과부하를 방지할 때 사용됨

뮤텍스는 주로 트랜잭션이나 파일의 쓰기 작업처럼 데이터를 동시에 읽고 쓰면 안 되는 경우에 사용됨

 

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* reference

 

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/concurrent/ExecutorService.html

ExecutorService (Java Platform SE 8 )

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/concurrent/Semaphore.html

Semaphore (Java Platform SE 8 )

https://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/util/concurrent/locks/ReentrantLock.html

ReentrantLock (Java Platform SE 7 )

https://notavoid.tistory.com/31

뮤텍스와 세마포어: 자바에서의 동시성 제어 이해하기 (WITH JAVA, JUNIT5)

https://heeonii.tistory.com/14

[운영체제] Mutex 뮤텍스와 Semaphore 세마포어의 차이

https://hoestory.tistory.com/84

[Java] 동기화 기법에 대하여(뮤텍스, 세마포어) - 1