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  1. 내용 대폭 수정 : 2010/2/19

공유 자원에 대한 접근 제어

다수의 객체가 공유 자원에 접근하려고 하면, (공유 자원의 종류에 따라서)접근 시점을 동기화 시켜줄 필요가 생긴다. 여기에서 동기화란 시간과 공간을 맞추어 준다는 의미로, 즉 공유 자원 영역 (공간)에 접근하는 객체들의 진입 시간을 제어할 수 있어야 함을 의미한다.

멀티 Thread(쓰레드) 프로그램 역시 공유 자원에 여러 개의 쓰레드가 접근할 수 있으므로 공유 자원 영역에 대한 동기화가 필요 하다.

카운팅 프로그램을 예를 들어 보자. 카운트 변수는 전역:::변수(:12)로 A,B 두개의 쓰레드가 공유하면서, 1씩 증가하는 카운팅 정보를 유지하기 위해 사용된다. 공유 자원 영역 즉 "count 값을 읽어 오고, 연산을 해서 저장하는" 영역에 대한 쓰레드간 동기화가 이루어지지 않는 다면 아래와 같은 일이 발생할 수 있을 것이다.
  1. global int count = 0
  2. A 쓰레드가 count값 0을 읽는다.
  3. B 쓰레드가 count값 0을 읽는다.
    • A 쓰레드가 카운팅 연산을 하기 전에 B쓰레드가 접근해 버린 상황이다.
  4. A 쓰레드가 count+1 연산을 하고 값을 쓴다. count = 1
  5. B 쓰레드가 count+1 연산을 하고 값을 쓴다. count = 1
A와 B쓰레드가 한번씩 카운팅 연산을 했으므로, count값은 2가 되어야 하겠지만, 실제로는 1이 저장되어 버렸다.

이러한 문제의 해결을 위해서 쓰레드를 동기화 시켜줄 필요가 있다..

동기화 달성의 방법

일반적으로 동기화는 "공간과 시간"을 제어하는 방식으로 이루어진다. 즉 "접근 제어가 필요한 공간"을 지정하고 지정한 "공간에 진입 할 수 있는 시간"을 제어하는 방식이다. 그렇다

여기에서 "접근 제어가 필요한 공간"에는 보호 해야 할 공유 자원이 놓인다. 보호 해야할 공유 자원이 있는 공간을 임계 영역이라고 한다. 시간 제어는 해당 임계 영역에 동 시간에 단지 하나의 쓰레드만 접근하도록 제한 하는 방식으로 이루어진다.

임계영역에 들어가기 위한 하나의 키를 가지고 경쟁하는 것으로 이해하면 된다. 임계영역에 들어가기 위한 키는 단지 하나 밖에 없으므로 어떤 스레드가 키를 얻어서 임계영역에 진입하면, 다른 스레드는 키를 얻을 때까지 - 앞서 임계영역에 진입한 프로세스가 키를 되돌려줄 때까지 - 기다려야 한다.

위의 카운팅 프로그램을 예로 설명해보자. 임계 영역은
  1. count 값을 읽어와서
  2. 카운팅 연산을 하고
  3. 연산 결과를 저장하는
코드 영역으로 지정할 수 있을 것이다.

이 임계 영역에는 오직 하나의 쓰레드만이 진입할 수 있다. 즉 쓰레드 A가 임계 영역에 진입해서 코드를 수행중에 있다면 쓰레드 B는 임계 영역 밖에서 기다려야 한다. 이렇게 쓰레드를 동기화 시킴으로써, 아래와 같이 제대로된 카운팅 연산을 보장할 수 있게 된다.
  1. global int count = 0;
  2. A 쓰레드가 임계 영역에 진입
  3. B 쓰레드도 임계 영역 진입을 시도하지만, A 쓰레드가 진입해 있으므로 임계 영역 밖에서 대기한다.
  4. A 쓰레드가 count 값을 읽고
  5. 카운팅 연산을 해서
  6. 값을 저장한다. count = 1
  7. A 쓰레드가 임계 영역에서 빠져나온다.
  8. 비로서 B 쓰레드가 임계 영역에 진입해서
  9. count 값 1을 읽어서 카운팅 연산을 하고 저장한다. count = 2
제대로 카운팅 연산이 되는걸 확인할 수 있다.

Mutex

뮤텍스는 pthread에서 제공하는 동기화 매커니즘으로 공유 자원 공간에 대한 접근 시간 제어로 동기화를 달성한다. 기본적인 매커니즘은 세마포어(:12)와 비슷하다. 특히 POSIX(:12) 세마포어와 비슷하며, 동기화 매커니즘으로 뮤텍스 대신 세마포어를 사용할 수도 있다. 동기화 매커니즘의 핵심은 상호 배제로 다음과 같이 달성 한다.

global int v = 1;
lock()
{
    while(1)
    {
        if (v==1)
            break;
    }
    v = 0;
    return 1;
}

unlock()
{
    v = 1;
    break;
}
어디까지나 매커니즘 상으로 그렇다는 얘기고, 세마포어와 마찬가지로 busy wait 상태에 놓이지 않음을 보장한다.

상호 배제는 잠금 형식으로 이루어진다. 쓰레드는 잠금 v를 얻어야 임계 영역에 진입할 수 있다. 임계 영역을 빠져나오면 잠금을 되돌려 줘서 다른 쓰레드가 잠금을 얻을 수 있도록 한다.

뮤텍스 메커니즘의 특징을 정리했다.

뮤텍스 만들기

뮤텍스를 생성하기 위해서 우리는 먼저, 뮤텍스정보를 저장하기 위한 타입인 pthread_mutex_t 를 선언해주고 이것을 초기화 해주어야 한다. 선언과 초기화의 가장간단한 방법은 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 상수를 할당하는 것으로 아래와 같이 사용할수 있다.
pthread_mutex_t a_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

혹은 pthread_mutex_init(3)함수로 뮤텍스를 생성할 수도 있다.
#include <pthread.h>

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t * mutex, const pthread_mutex_attr *attr);

뮤텍스 잠금, 잠금해제, 제거

뮤텍스 잠금을 위한 함수로는 pthread_mutex_lock() 함수를 제공한다. 이 함수는 해당 뮤텍스에 대해서 잠금을 시도하는데, 만약 잠그려는 뮤텍스가 다른 쓰레드에 의해서 이미 잠겨있다면, 잠금을 얻을수 있을때까지 - 이미 잠근 다른 쓰레드가 뮤텍스의 잠금을 해제할때까지 - 봉쇄(블럭)되게 된다. 다음은 이러한 뮤텍스 잠금을 얻기 위한 지원함수들이다.
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_destory(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_trylock() 를 사용하면 잠금을 얻을수 없을경우 해당 코드에서 블럭되지 않고 바로 에러코드를 돌려준다. 즉 pthread_mutex_lock 의 비봉쇄 버젼이라고 생각하면 된다.

뮤텍스 잠금을 얻은후 해당 영역에서의 작업을 마친후 잠금을 해제하기 위해서 사용한다. 사용되는 함수는 pthread_mutex_unlock(3) 이며 함수원형은 다음과 같다.
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
다음은 쓰레드간 공유되는 자원을 위해서 잠금을 어떻게 사용하는지를 보여주는 간단한 예제다.

예제: mutex_lock.c
#include <stdio.h>  
#include <unistd.h>  
#include <pthread.h>  
 
int ncount;    // 쓰레드간 공유되는 자원 
pthread_mutex_t  mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 쓰레드 초기화 
 
void* do_loop(void *data) 
{ 
    int i; 
    for (i = 0; i < 10; i++) 
    { 
        pthread_mutex_lock(&mutex); // 잠금을 생성한다. 
        printf("loop1 : %d\n", ncount); 
        ncount ++; 
        if(i == 10) return;
        pthread_mutex_unlock(&mutex); // 잠금을 해제한다. 
        sleep(1); 
    } 
} 
 
void* do_loop2(void *data) 
{ 
    int i; 
 
    // 잠금을 얻으려고 하지만 do_loop 에서 이미 잠금을  
    // 얻었음으로 잠금이 해제될때까지 기다린다.   
    for (i = 0; i < 10; i++) 
    { 
        pthread_mutex_lock(&mutex); // 잠금을 생성한다. 
        printf("loop2 : %d\n", ncount); 
        ncount ++; 
        pthread_mutex_unlock(&mutex); // 잠금을 해제한다. 
        sleep(2); 
    } 
}     
 
int main() 
{ 
    int       thr_id; 
    pthread_t p_thread[2]; 
    int status; 
    int a = 1; 
 
    ncount = 0; 
    thr_id = pthread_create(&p_thread[0], NULL, do_loop, (void *)&a); 
    sleep(1); 
    thr_id = pthread_create(&p_thread[1], NULL, do_loop2, (void *)&a); 
 
    pthread_join(p_thread[0], (void *) &status); 
    pthread_join(p_thread[1], (void *) &status); 
 
    status = pthread_mutex_destroy(&mutex); 
    printf("code  =  %d", status); 
    printf("programing is end"); 
    return 0; 
} 
위의 코드를 우선 mutex 잠금을 하지 않은체 컴파일후 실행해보자. 간단하게 pthread_mutext_lock 와 pthread_mutex_unlock 부만 주석처리하면 된다. 그러면 do_loop2 와 do_loop 가 일정한 간격을 두고 ncount 자원에 접근하는 것을 볼수 있을것이다. 그러나 우리는 do_loop 가 ncount 자원을 접근하고 있는동안 다른 쓰레드가 접근하지 않기를 원할때가 있을것이다. 이럴때 뮤텍스 잠금을 사용하면 된다.

위의 코드에서 뮤텍스 잠금 부분의 주석을 풀고 다시 컴파일해서 실행시켜보면, do_loop 쓰레드가 ncount 증가 작업을 모두 마칠때까지 do_loop2 쓰레드는 해당 영역에서 블럭됨을 알수 있을것이다. 이런식으로 하나의 쓰레드가 특정자원에 접근할때 다른 쓰레드가 접근하지 못하도록(한번에 하나의 쓰레드만 해당 자원에 접근할수 있도록) 제어할수 있다.

컴파일 방법은 gcc -o mutex_lock mutex_lock.c -lpthread 이다

더이상 뮤텍스를 사용할일이 없다면 pthread_mutex_destory 를 이용해서 뮤텍스 자원을 제거(free) 하도록 한다. 만일 뮤텍스자원을 사용하는 쓰레드가 하나라도 존재한다면 에러코드(EBUSY)를 리턴한다. 그러므로 모든 쓰레드의 뮤텍스에 대해서 pthread_mutex_unlock 을 이용해서 잠겨져야만 뮤텍스 제거가 성공할수 있다. 성공할경우 0을 넘겨준다.