(Semaphore, Mutex, Monitor)

동기화 (Synchronization)

정리 요약

이 문서는 운영체제에서 프로세스와 스레드 간 동기화(Synchronization) 가 왜 필요한지,
그리고 이를 어떻게 구현하는지를 설명한다.
동기화는 여러 프로세스나 스레드가 동시에 공유 자원에 접근할 때 발생하는
경쟁 상태(Race Condition) 를 방지하기 위해 사용된다.
운영체제는 이를 위해 세마포어(Semaphore), 뮤텍스(Mutex), 모니터(Monitor) 등의 기법을 제공한다.

• 동기화는 멀티스레드 환경에서 필수적이다.
• 잘못된 락(lock) 사용은 교착 상태를 초래할 수 있다.
• 커널 수준의 락은 스핀락(Spinlock), 세마포어, 리더-라이터 락(RWLock) 등 다양한 형태로 존재한다.
• 현대 OS는 다중 코어 환경에서 락 경쟁을 줄이기 위해 Lock-Free / Wait-Free 알고리즘을 도입하고 있다.
• 실제 시스템 분석 시 ps -eLf, htop, perf lock 명령을 통해 락 경합을 진단할 수 있다.

참고 자료

• Linux Kernel Documentation – Synchronization Primitives
• Wikipedia – Synchronization (computer science)

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1. 동기화의 필요성

현대 운영체제는 여러 프로세스 또는 스레드가 동시에 실행되는 병행 처리(Concurrency) 환경을 지원한다.
이때 공유 자원(변수, 파일, 메모리 등)에 동시에 접근하면 의도치 않은 결과가 발생할 수 있다.
이를 Race Condition이라 하며, 동기화를 통해 해결한다.

문제 상황	설명
공유 자원 접근	여러 스레드가 동시에 같은 메모리 영역에 접근
Race Condition	접근 순서에 따라 결과가 달라짐
동기화 (Synchronization)	공유 자원 접근을 순차적으로 제어

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2. 임계 구역 (Critical Section) 문제

임계 구역은 동시에 실행되면 안 되는 코드 영역을 의미한다.
운영체제는 다음 세 가지 조건을 만족하도록 임계 구역을 보호해야 한다.

조건	설명
상호 배제 (Mutual Exclusion)	한 번에 하나의 프로세스만 임계 구역에 진입 가능
진행 (Progress)	임계 구역에 진입할 프로세스가 없을 경우, 대기 중인 프로세스 중 하나는 진입 가능
한정 대기 (Bounded Waiting)	특정 프로세스가 무한히 대기하지 않도록 보장

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3. 동기화 도구

운영체제는 임계 구역 문제를 해결하기 위해 다양한 동기화 도구를 제공한다.

(1) 뮤텍스 (Mutex)

뮤텍스는 Lock / Unlock 방식으로 한 번에 하나의 스레드만 자원에 접근하도록 제한한다.

// 예시: 뮤텍스 사용
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 임계 구역
pthread_mutex_unlock(&mutex);

특징	설명
구조	이진 상태 (잠금 / 해제)
사용 대상	스레드 간 공유 자원 보호
구현 위치	사용자 수준 또는 커널 수준
단점	잘못된 unlock 시 데드락 가능

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(2) 세마포어 (Semaphore)

세마포어는 카운터를 사용하여 여러 프로세스가 자원을 제한적으로 사용할 수 있도록 제어한다. 세마포어 값이 0이면, 프로세스는 자원을 사용할 수 없고 대기 상태가 된다.

P(S): wait(S)  // 세마포어 감소
V(S): signal(S) // 세마포어 증가

구분	설명
이진 세마포어 (Binary Semaphore)	0 또는 1 값만 가짐 (뮤텍스와 유사)
카운팅 세마포어 (Counting Semaphore)	다중 자원 접근 제어
장점	다양한 병행 제어 구조 구현 가능
단점	교착 상태 가능성 존재

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(3) 모니터 (Monitor)

모니터는 언어 수준에서 동기화를 제공하는 고급 동기화 도구이다. 뮤텍스나 세마포어와 달리 개발자가 직접 락을 관리하지 않아도 된다.

synchronized void update() {
  // 임계 구역
}

특징	설명
제공 방식	프로그래밍 언어 레벨 (예: Java, C#)
구성 요소	공유 자원 + 동기화 메서드 + 조건 변수
장점	코드 가독성 향상, 데드락 발생률 감소
단점	커널 수준의 세밀한 제어는 어려움

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4. 교착 상태 (Deadlock)

동기화 과정에서 두 개 이상의 프로세스가 서로 자원을 기다리며 영원히 대기하는 상황을 교착 상태(Deadlock) 라고 한다.

조건	설명
상호 배제 (Mutual Exclusion)	자원은 한 프로세스만 사용 가능
점유와 대기 (Hold and Wait)	자원을 점유한 상태에서 다른 자원을 요청
비선점 (No Preemption)	자원을 강제로 빼앗을 수 없음
순환 대기 (Circular Wait)	프로세스들이 순환 형태로 자원을 기다림

교착 상태 해결 방법

방법	설명
예방 (Prevention)	교착 상태 발생 조건 중 하나 이상을 제거
회피 (Avoidance)	자원 요청 시 안전 상태(Safe State)만 허용 (예: 은행원 알고리즘)
탐지 (Detection)	교착 상태 발생 여부를 주기적으로 검사
복구 (Recovery)	교착 상태 발생 시 강제 종료 또는 자원 회수

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5. 생산자-소비자 문제 (Producer-Consumer Problem)

이 문제는 동기화의 대표적인 예시다. 하나의 버퍼(Buffer) 를 공유하는 두 프로세스가 있을 때, 생산자는 데이터를 추가하고 소비자는 데이터를 제거한다.

• 생산자(Producer)는 버퍼가 비어 있을 때 wait(empty) 조건을 만족하면 데이터를 추가하고, signal(full)을 통해 소비자에게 알립니다.
• 소비자(Consumer)는 버퍼에 데이터가 있을 때 wait(full) 조건을 만족하면 데이터를 소비하고, signal(empty)로 생산자에게 알립니다.