[Philosophers] 2. 스레드와 뮤텍스

Philosophers는 동시성과 교착상태를 설명하는 대표적인 예시인 "식사하는 철학자 문제"를 직접 구현해보는 과제이다. 특히, Mandatory 파트는 멀티 스레드 환경에서 공유 자원에 대한 상호 배제 달성을 위해 뮤텍스를 사용해야 한다.

 

과제를 시작하기 전 알아야 할 사전 지식에 대해 알아보겠다 🥸

 

P.S. 왜 멀티 스레드 환경에서 공유 자원에 대한 관리가 필요한지, 관리를 위한 방법에는 무엇이 있는지 정도를 알아보는 매우 간단한 글입니다

 

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1. Thread

✨ 프로세스란?

실행 중인 프로그램이다. 즉, 사용자가 작성한 프로그램이 운영체제에 의해 메모리 공간을 할당받아 실행 중인 것을 의미한다. 이러한 프로세스는 프로그램에 사용되는 데이터와 메모리 등의 자원 그리고 스레드로 구성된다.

 

✨ 스레드란?

프로세스 내에서 실제로 작업을 수행하는 주체를 의미한다. 모든 프로세스에는 한 개 이상의 스레드가 존재하여 작업을 수행한다. 또한, 두 개 이상의 스레드를 가지는 프로세스를 멀티스레드 프로세스라고 한다.

 

⚖️ 프로세스 vs 스레드

• 프로세스 : 멀티 프로세스에서 각 프로세스는 독립적으로 실행되며, 각각 별도의 메모리를 차지한다.
• 스레드 : 멀티 스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유해 사용한다.

 

👍🏻 스레드의 장점

• 하나의 프로세스 내의 자원(코드, 데이터, 힙)을 공유하기 때문에 프로세스에 비해 자원 할당 비용이 적게 들고, 문맥 교환(context swith) 비용이 적게 듦
• 멀티 스레드의 경우, 일부 스레드의 처리가 지연되더라도 다른 스레드에서 작업을 계속 처리할 수 있음

 

👎🏻 스레드의 단점

• 하나의 스레드에서 발생한 문제가 프로세스 전반에 영향을 미칠 수 있음
• 멀티 스레드의 경우, 각각의 스레드 중 어떤 것이 먼저 실행될지 그 순서를 알 수 없고, 자원을 공유하기 때문에 문제가 발생할 수 있음
  • 예시 : 두 스레드가 특정 공유 변수 i의 값을 1 증가시키는 명령을 실행할 때, 다음과 같은 방식으로 수행될 수 있다. 
    1. 공유되는 변수 i의 값을 레지스터에 저장
    2. 레지스터의 값을 1 증가시킨다.
    3. 변수 i에 그 값을 저장한다.
    이 때 어떤 스레드가 먼저 실행될지는 보장되지 않으며, 만약 다음과 같은 순서로 실행된다면

    스레드	동작	i의 값	스레드 1의 레지스터	스레드 2의 레지스터
    스레드 1	i의 값을 레지스터에 저장	0	0
    스레드 1	레지스터 값을 1 증가	0	1
    스레드 1	i에 값 저장	1	1
    스레드 2	i의 값을 레지스터에 저장	1	1	1
    스레드 2	레지스터 값을 1 증가	1	1	2
    스레드 2	i에 값 저장	2	1	2

    최종 결과로 i는 2가 증가된다. 하지만 다음과 같이 실행된다면 ? 💥

    스레드	동작	i의 값	스레드 1의 레지스터	스레드 2의 레지스터
    스레드 1	i의 값을 레지스터에 저장	0	0
    스레드 2	i의 값을 레지스터에 저장	0	0	0
    스레드 1	레지스터 값을 1 증가	0	1	0
    스레드 2	레지스터 값을 1 증가	0	1	1
    스레드 1	i에 값 저장	1	1	1
    스레드 2	i에 값 저장	1	1	1

    최종 결과로 i는 1이 증가되고, 이것은 원래 프로그램의 의도(각각의 스레드가 i를 1씩 증가하는 동작)와 다를 수 있다. 또한 이러한 문제는 스레드의 실행 조건에 따라 결과가 다르게 나오므로, 오류가 발생했을 때 원인을 찾기가 힘들다. 이러한 문제를 경쟁 조건이라고 하며, 문제를 막기 위해 뮤텍스, 세마포어와 같은 방법을 통해 공유 데이터에 접근하는 스레드의 개수를 한개 이하로 유지하는 방법을 사용할 수 있다.

 

2.  Mutex

📌 교착상태 (Dead lock)

교착상태은 두 개 이상의 작업이 서로 상대의 작업이 끝나기만을 기다리고 있기 때문에 결과적으로 아무것도 완료하지 못하는 상태를 말한다.

 

📌 상호배제 (Mutual Exclusion)

하나의 프로세스가 공유 자원을 사용할 때 다른 프로세스가 동일한 공유 자원에 접근할 수 없도록 하는 것이다.

 

📌 임계 영역 (Critical Section)

여러 프로세스가 데이터를 공유하며 수행될 때, 각 프로세스에서 공유 데이터에 접근하는 프로그램 블록이다. 즉, 여러 프로세스가 동일 자원을 동시에 참조하여 값이 오염될 위험 가능성이 있는 영역을 말한다.

프로세스 간 메시지를 전송하거나, 공유 메모리를 통해 공유된 자원에 여러 개의 프로세스가 동시에 접근하면 Critical Section 문제가 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해 데이터를 한 번에 하나의 프로세스만 접근할 수 있도록 제한을 두는 동기화 방식을 취해야 한다.

이러한 동기화 도구에는 대표적으로 뮤텍스(mutex)와 세마포어(semaphore)가 있다.

 

✨ 뮤텍스란?

동시 프로그래밍에서 공유 불가능한 자원의 동시 사용을 피하기 위해 사용

• 동기화 대상이 1개
• 임계 구역을 가진 스레드들의 실행 시간이 서로 겹치지 않고 각각 단독으로 실행(상호배제)되도록 하는 기술
• 한 프로세스에 의해 소유될 수 있는 key를 기반으로 한 상호배제 기법
  • key에 해당하는 어떤 객체가 있으며, 이 객체를 소유한 스레드/프로세스만이 공유 자원에 접근할 수 있음
• 다중 프로세스들의 공유 리소스에 대한 접근을 조율하기 위해 동기화(synchronization) 또는 락(lock)을 사용
• 즉, 뮤텍스 객체를 두 스레드가 동시에 사용할 수 없다.

 

✨ 세마포어란?

멀티 프로그래밍 환경에서 공유된 자원에 대한 접근을 제한하는 방법

• 동기화 대상이 1개 이상
• 현재 공유 자원에 접근할 수 있는 스레드/프로세스의 수를 나타내는 값을 두어 상호배제를 달성
  • 공유 자원에 접근할 수 있는 스레드/프로세스의 최대 수만큼 동시에 접근할 수 있으며, 각 스레드/프로세스는 세마포어의 값을 확인하고 변경할 수 있음
  • 자원을 사용하지 않는 상태가 될 때, 대기하던 스레드/프로세스가 즉시 자원을 사용하고 이미 다른 스레드/프로세스에 의해 사용 중이라는 사실을 알게 되면 재시도 전에 일정 시간 대기해야 함
• 일반적으로 비교적 긴 시간을 확보하는 리소스에 대해 사용

 

⚖️ 뮤텍스 vs 세마포어

1. 가장 큰 차이점은 동기화 대상의 개수이다.
   • 뮤텍스는 동기화 대상이 1개일 때 사용
   • 세마포어는 동기화 대상이 1개 이상일 때 사용
2. 세마포어는 뮤텍스가 될 수 있지만, 뮤텍스는 세마포어가 될 수 없다.
   • 뮤텍스는 0, 1로 이루어진 이진 상태를 가지므로 이진 세마포어 !
3. 뮤텍스는 자원 소유 가능 + 책임을 가지는 반면, 세마포어는 자원 소유 불가
   • 뮤텍스는 0, 1뿐이므로 lock을 가질 수 있음
4. 뮤텍스는 소유하고 있는 스레드만이 해당 뮤텍스를 해제할 수 있다. 반면, 세마포어는 해당 세마포어를 소유하지 않은 스레드도 해제할 수 있다.
5. 세마포어는 시스템 범위에 걸쳐 있고, 파일 시스템 상의 파일로 존재한다. 반면, 뮤텍스는 프로세스의 범위를 가지며 프로세스가 종료될 때 자동으로 clean up된다.