[CS] 세마포어(Semaphore) & 뮤텍스(Mutex)

🔑 공유자원을 안전하게 관리하기위한 방법인 상호배제(Mutual Exclusion)
- 상호배제란 ?
: 어떤 프로세스가 임계 영역을 수행 중이면 다른 모든 프로세스들은 그 임계 영역에 들어가지 못하게 막음
  → 세마포어와 뮤텍스는 이를 위해 고안된 기법

📌 공유 자원에 대하여 한 번에 하나의 프로세스만이 이에 접근할 수 있도록 통제해야하는데, 그러한 통제가 필요한 영역을 임계영역이라고 부름

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👩🏻‍💻 세마포어(Semaphore)

📌 - 정수값을 갖는 변수이자 자원의 갯수. - 동기화 기법 중 추상적인 방법.

• 세마포어는 여러 프로세스들에 의해 공유되는 변수로 정의
  → 이 변수는 오직 wait과 signal이라는 연산에 의해서만 접근이 가능
  • wait : 세마포어의 수를 1줄임. 0이되면 lock.
  • signal : 세마포어의 수를 1 늘림
• 세마포어(변수)의 갯수에 따라 Counting Semaphore와 Binary Semaphore로 나뉨
  • Counting Semaphore : 세마포어가 양의 정수값을 가짐. 설정한 값 이상의 스레드가 자원에 접근하면 lock이 실행됨
  • Binary Semaphore : 세마포어가 1임. 뮤텍스처럼 사용됨
    
    
    

▶️ 세마포어 방식

• Busy-Wait 방식
  • 자원이 모두 사용중이라면 프로세스가 wait하는 방식.
  • 자원에 여유가 생기면 자원을 획득, 자원을 모두 사용했다면 자원을 반납함.
  • 자원을 다 사용하고 임계 영역에서 나온 프로세스는 signal 연산을 하기 전까지 Busy Waiting을 함
    • Busy Waiting : 임계 영역에 진입 시도를 반복하는 것
• Block-Wakeup 방식
  • 자원의 값을 감소시킴. 자원의 갯수가 부족하면 현재 프로세스를 wait 큐에 추가시킨 후, block().
  • 다른 프로세스가 작업을 완료하여 자원을 반납했을 때, 사용 가능한 자원의 수가 없다면 현재 자원을 기다리는 프로세스가 존재한다는 뜻임. 따라서 wait 큐에서 프로세스를 꺼내와 wakeup시킴

☑️ - 임계 영역의 길이가 긴 경우에는 Block-Wakeup 방식이 유리
    - 임계 영역의 길이가 짧은 경우에는 잦은 문맥 교환으로 인해 오버헤드가 증가하기 때문에 Busy-Wait방식이 유리

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👩🏻‍💻 뮤텍스(Mutex)

📌 - 상호배제를 뜻하며, Binary Semaphore와 같은 의미
     - 자원에 단 하나의 작업만이 접근할 수 있게 해줌 - 운영체제 커널에 의해 제공되어 무겁고 느림

• 프로세스가 소유할 수 있는 key를 기반으로 하는 방법
  • 이 key를 소유한 스레드/프로세스만이 공유자원에 접근할 수 있음
• 뮤텍스를 사용하면 임계 영역에 진입할 때, lock을 걸어 다른 프로세스 혹은 스레드가 접근하지 못하도록 함
  • 임계영역을 나오면 unlock을 검