상호배제(Mutual Exclusion)와 동기화(Synchronization) 요약

운영 체제에서 멀티태스킹을 구현하는 데 있어서, 상호배제와 동기화는 매우 중요한 역할을 합니다. 이 장에서는 멀티스레딩과 멀티프로세싱 환경에서의 동시성 문제를 해결하기 위한 다양한 기법들에 대해 설명합니다.

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1. 용어 정의

• Multithreading (다중 스레드): 하나의 프로세스에서 여러 스레드가 독립적으로 실행되며, 동일한 메모리 공간을 공유합니다. 주로 병렬 작업 처리와 빠른 응답성 확보를 목적으로 사용됩니다.
• Multiprogramming (다중 프로그래밍): 여러 프로세스를 메모리에 적재하여 CPU가 유휴 상태를 줄이고 자원을 효율적으로 사용합니다.
• Multiprocessing (다중 처리): 여러 CPU 코어에서 하나 이상의 프로세스를 병렬로 실행하여 성능을 향상시킵니다.
• Distributed Processing (분산 처리): 네트워크를 통해 여러 컴퓨터에서 작업을 나누어 처리하며, 클러스터 시스템이나 클라우드 컴퓨팅에 활용됩니다.

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2. Race Condition (경쟁 상태)

• 정의: 여러 스레드나 프로세스가 공유 자원에 동시 접근할 때, 실행 순서에 따라 결과가 달라질 수 있는 상황을 의미합니다.
• 원인:
  • 전역 변수에 대한 동시 접근
  • 비동기 실행 중 데이터 공유
• 해결 방법: 경쟁 상태를 방지하기 위해 임계영역(Critical Section)을 보호하고, 상호배제(Mutual Exclusion) 기법을 사용합니다.

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3. 임계영역 (Critical Section)

• 정의: 여러 프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근하거나 변경하는 코드 블록을 의미합니다.
• 특징:
  • 한 번에 단 하나의 스레드나 프로세스만 접근할 수 있습니다.
  • 여러 스레드가 동시에 접근할 경우 데이터 불일치 문제가 발생할 수 있습니다.
• 보호 필요성: 데이터의 무결성과 일관성을 유지하려면 상호배제 기법을 통해 임계영역을 보호해야 합니다.

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4. 상호배제 (Mutual Exclusion)

• 정의: 둘 이상의 프로세스나 스레드가 임계영역에 동시에 접근하지 못하도록 보장하는 기법입니다.
• 기법:
  • 세마포어(Semaphore): 정수 값과 대기 큐를 활용하여 자원을 관리하고 동기화합니다.
  • 뮤텍스(Mutex): 단일 자원을 보호하는 이진 세마포어의 한 형태로, 주로 한 번에 하나의 스레드만 자원에 접근할 수 있도록 보장합니다.
  • 모니터(Monitor): 고급 언어에서 제공하는 동기화 객체로, 스레드 간 동기화와 상호배제를 간편하게 처리합니다.

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5. 상호배제를 위한 자바 제공 기능

자바에서는 스레드 동기화를 처리하기 위한 다양한 기법을 제공합니다.

• synchronized 키워드:
  • 메서드나 블록에 synchronized를 선언하여 임계영역을 설정할 수 있습니다.
  • 자동으로 Lock과 Unlock 동작을 수행하여 스레드 간 동기화를 보장합니다.
• ReentrantLock 클래스:
  • 명시적으로 Lock과 Unlock을 수행합니다.
  • tryLock() 메서드를 통해 대기하지 않고 즉시 Lock을 시도할 수 있습니다.
• Semaphore 클래스:
  • 세마포어를 구현하여 스레드 간 동기화를 처리합니다.
  • acquire(Wait)와 release(Signal) 메서드를 통해 세마포어의 기능을 제공합니다.

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요약

• 멀티태스킹 환경에서는 동시성 문제와 데이터 무결성을 유지하기 위해 상호배제와 동기화가 필수적입니다.
• 세마포어는 동기화 기법 중 하나로, 자원을 보호하고 동시 접근을 제어하는 데 사용됩니다. 자바에서는 synchronized, ReentrantLock, Semaphore 클래스를 통해 쉽게 동기화 기능을 구현할 수 있습니다.
• 메시지 큐와 같은 고급 응용에서도 세마포어를 활용하여 동기화와 상호배제를 효과적으로 처리할 수 있습니다.