6장 - 상호 배제(Mutual Exclusion) (46)

상호 배제(Mutual Exclusion): 멀티스레딩의 핵심 개념 이해하기

현대의 운영체제는 여러 스레드가 동시에 실행되는 멀티스레딩 환경을 지원합니다. 이런 환경에서 여러 스레드가 같은 데이터나 자원에 동시에 접근하려고 하면 예상치 못한 문제가 발생할 수 있습니다. 이를 해결하기 위한 핵심 개념이 바로 "상호 배제(Mutual Exclusion)"입니다.

 

상호 배제란 무엇인가?

상호 배제는 여러 스레드가 공유 자원에 접근할 때, 오직 하나의 스레드만이 특정 시점에 해당 자원에 접근할 수 있도록 하는 동기화 메커니즘입니다. 즉, 한 스레드가 공유 자원을 사용하고 있을 때 다른 스레드는 기다려야 합니다.

상호 배제를 적용하는 일반적인 프로그램 구조

상호 배제를 구현하는 프로그램은 보통 다음과 같은 4단계 구조를 가집니다:

1. 일반 코드(Non-Critical Code)

// 공유 데이터에 접근하지 않는 일반적인 작업
int result = calculate_something();
printf("Processing...\n");

이 부분은 공유 데이터에 접근하지 않는 코드로, 여러 스레드가 동시에 실행해도 문제가 없는 영역입니다.

2. 임계구역 진입 코드(Entry Code)

// 임계구역에 들어가기 전 확인하는 코드
while (another_thread_is_using_resource()) {
    wait();  // 다른 스레드가 사용 중이면 대기
}
lock_resource();  // 자원을 잠그고 나만 사용할 수 있도록 설정

임계구역에 진입하기 전에 실행되는 코드로, 다음과 같은 작업을 수행합니다:

• 현재 다른 스레드가 임계구역을 실행 중인지 확인
• 사용 가능하다면 다른 스레드가 들어오지 못하도록 조치
• 사용 중이라면 진입 가능할 때까지 대기

3. 임계구역 코드(Critical Code)

// 공유 자원에 접근하는 중요한 코드
shared_data[index] = new_value;
total_count++;

공유 자원에 접근하는 코드 영역입니다. 이 구간에는 한 번에 하나의 스레드만 진입할 수 있습니다.

4. 임계구역 진출 코드(Exit Code)

// 임계구역을 나올 때 정리하는 코드
unlock_resource();  // 자원 잠금 해제
signal_waiting_threads();  // 대기 중인 다른 스레드에게 알림

임계구역 작업을 완료한 후 실행되는 코드로, 진입 시에 설정한 조치를 해제하여 다른 스레드가 임계구역에 진입할 수 있도록 합니다.

왜 상호 배제가 중요한가?

상호 배제가 없다면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다:

1. 데이터 일관성 문제: 여러 스레드가 동시에 데이터를 수정하면 예상과 다른 결과가 나올 수 있습니다.
2. 레이스 컨디션(Race Condition): 스레드의 실행 순서에 따라 결과가 달라지는 버그가 발생할 수 있습니다.
3. 자원 손상: 공유 자원이 불완전한 상태로 남아있을 수 있습니다.

다음 포스팅 예고

다음 포스팅에서는 상호 배제를 소프트웨어적으로 구현하는 대표적인 방법인 "Peterson 알고리즘"에 대해 자세히 알아보겠습니다. Peterson 알고리즘의 원리와 구현 방법, 그리고 실제 사용에서의 한계점까지 살펴보겠습니다.