[ Embedded ] 09. MUTEX를 이용한 쓰레드 동기화

MUTEX를 이용한 쓰레드 동기화

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1. 공유자원에 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.

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

카운팅 프로그램을 예로 들어보자. 카운트 변수는 전역변수(:12)로 A,B 두개의 쓰레드가 공유하면서, 1씩 증가하는 카운팅 정보를 유지하기 위해 사용된다. 공유자원 영역 즉 "count 값을 읽어 오고, 연산을 해서 저장하는" 영역에 대한 쓰레드간 동기화가 이루어지지 않는다면 아래와 같은 일이 발생할 수 있따.

1. global int count = 0;
2. A 쓰레드가 count값 0을 읽는다.
3. B 쓰레드가 count값 0을 읽는다.
   • A 쓰레드가 카운팅 연산을 하기 전에 B 쓰레드가 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 B 쓰레드가 한번씩 카운팅 연산을 했으므로 count값은 2가 되어야 하겠지만 실제로는 1이 저장되어 버렸다.

이러한 문제의 해결을 위해 쓰레드를 동기화 시켜줄 필요가 있다!!

2. 동기화 달성의 방법

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

여기에서 "접근 제어가 필요한 공간"에는 보호해야할 공유자원이 놓인다. 보호 해야할 공유 자원이 있는 공간을 임계 영역이라고 한다.

시간제어는 해당 임계 영역에 동 시간에 단지 하나의 쓰레드만 접근하도록 제한 하는 방식으로 이루어진다.

임계영역에 들어가기 위한 하난의 키를 가지고 경쟁하는 것으로 이해하면 된다. 임계영역에 들어가기 위한 키는 단지 하나 밖에 없으므로 어떤 쓰레드가 키를 얻어서 임계영역에 진입하면, 다른 쓰레드는 키를 얻을 때 까지 ( 앞서 임계영역에 진입한 프로세스가 키를 되돌려 줄 때까지 ) 기다려야 한다.

위의 카운팅 프로그램을 예로 들어 보자. 임계 영역은

1. count값을 읽어와서
2. 카운팅 연산을 하고
3. 연산 결과글 저장하는

코드영역으로 지정할 수 있을 것이다.

이 임계영역에는 오직 하나의 쓰레드만이 진입할 수 있다. 즉 쓰레드A가 임계영역에 진입해서 코드를 수행 중에 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. A쓰레드가 임계 영역에 진입
3. B쓰레드가 임계 영역 진입을 시도하지만, A쓰레드가 진입해 있으므로 임계영역 밖에서 대기한다.
4. A쓰레드가 count값을 일고
5. 카운팅 연산을해서
6. 값을 저장한다. count = 1
7. A쓰레드가 임계영역에서 빠져나온다
8. 비로소 B쓰레드가 임계영역에 진입해서
9. count값 읽어서 카운팅 연산을 하고 저장한다. count = 2

3. MUTEX

뮤텍스는 pthread에서 제공하는 동기화 매커니즘으로 공유 자원 공간에 대한 접근 시간 제어로 동기화를 달성한다. 기본적인 메커니즘은 세마포어(:12)와 비슷하다.

특히 POSIX(:12) 세마포어와 비슷하며, 동기화 매커니즘으로 뮤텍스 대신 세마포어를 사용할 수도 있다. 동기화 매커니즘의 핵심은 상호 배제로 다음과 같이 달성한다.

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.

• Atomicity : mutex 잠금(lock)은 최소 단위 연적(atomic operation)으로 작동한다. 하나의 쓰레드가 mutex를 이용해서 잠금을 시도하는 도중에 다른 쓰레드가 mutex 잠금을 할 수 없도록 해준다는 뜻이다. 한번에 하나의 mutex 잠금을 하도록 보장해준다.
• Singularity : 만약 쓰레드가 mutex 잠금을 했다면, 잠금을 한 쓰레드(:12)가 mutex 잠금을 해제 하기 전까지 다른 어떠한 쓰레드도 mutex 잠금을 할 수 없도록 보장해준다.
• Non-Busy Wait : 바쁜대기 상태에 놓이지 않는다는 뜻으로, 하나의 쓰레드가 mutex 잠금을 시도하는 데 이미 다른 쓰레드가 mutex 잠금을 사용하고 있다면, 이 쎄르드는 다른 쓰레드가 락을 해제하기 전까지 해당 지점에 머물러 있으며 이 동안 어떠한 CPU 자원도 소비하지 않는다.(이를테면 sleep)

4. MUTEX 만들기

뮤텍스를 생성하기 위해서 우리는 먼저, 뮤텍스 정보를 저장하기 위한 타입인 pthread_mutex_t를 선언해주고 이것을 초기화 해주어야 한다.

선언과 초기화의 가장 간단한 방법은 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 상수를 할당하는 것으로 아래와 같이 사용할 수 있다.

pthread_mutex_t a_mutex = PHTREAD_MUTEX_INITIALIZER;

혹은 phread_mutex_init(3)함수로 뮤텍스를 생성할 수도 있다.

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_init(phtread_mutex_t *mutex, const phtread_mutex_attr *attr);

5. MUTEX 잠금, 잠금해제, 제거

뮤텍스 잠금을 위한 함수로는 phtread_mutex_lock()함수를 제공한다. 이 함수는 해당 뮤텍스에 대해서 잠금을 시도하는데, 만약 잠그려는 뮤텍스가 다른 쓰레드에 의해서 이미 잠겨있다면, 잠금을 얻을 수 있을때까지( 이미 잠근 다른 쓰레드가 뮤텍스의 잠금을 해제할 때까지 ) 봉쇄( block )되게 된다.

다음은 이러한 뮤텍스 잠금을 얻기 위한 지원함수들이다.

int pthread_mutex_lock(phtread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_trylock()을 사용하면 잠금을 얻을 수 없을 경우 해당 코드에서 블럭되지 않고 바로 에러코드를 돌려준다. 즉, pthread_mutex_lock의 비봉쇄 버전이라고 생각하면 된다.

뮤텍스 잠금을 얻은 후 해당 영역에서의 작업을 마친 후 잠금을 해제하기 위해서 사용된다. 사용되는 함수는 phtread_mutex_unlock(3)이며 함수 원형은 다음과 같다.

int phtread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

다음은 쓰레드간 공유되는 자원을 위해서 잠금을 어떻게 사용하는지를 보여주는 간단한 예제다.

#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_loop에서 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\n", status);
    printf("programming is end");
    return 0;
}

위의 코드를 우선 mutex 잠금을 하지 않은 채 컴파일 후 실행 해보자. 간단하게 pthread_mutex_lock과 pthread_mutex_unlock부분만 주석처리하면 된다.

그러면 do_loop2과 do_loop이 일정 간격을 두고 ncount 자원에 접근하는 것을 볼 수 있을것이다. 그러나 우리는 do_loop가 ncount자원을 접근하고 있는 동안 다른 쓰레드가 접근하지 않기를 원할 때가 있을 것이다. 이럴 때 뮤텍스잠금을 사용하면 된다.

위의 코드에서 잠금 부분의 주석을 다시 풀고 컴파일 후 실행해보면 do_loop쓰레드가 ncount 증가 작업을 모두 마칠 때까지 do_loop2쓰레드는 해당영역에서 block됨을 알 수 있다. 이런 식으로 하나의 쓰레드가 특정자원에 접근할 때 다른 쓰레드가 접근하지 못하도록(한번에 하나의 쓰레드만 해당 자원에 접근할 수 있도록) 제어할 수 있다.

컴파일 방법은 gcc -o mutex_lock mutex_lock.c -lpthread이다.

더이상 뮤텍스를 사용할 일이 없다면 pthread_mutex_destroy를 이용해서 뮤텍스 자원을 제거(free)하도록 한다. 만일 뮤텍스 자원을 사용하는 쓰레드가 하나라도 존재한다면 에러코드(EBUSY)를 리턴한다. 그러므로 모든 쓰레드의 뮤텍스에 대해서 pthread_mutex_unlock을 이용해서 잠겨져야만 뮤텍스 제거가 성공할 수 있다. 성공할 경우 0을 넘겨준다.