자바 동시성 프로그래밍 - 동기화 기법
세마포어 (Semaphore)
세마포어는 공유 자원에 대한 접근을 제어하기 위해 사용되는 신호 전달 메커니즘 동기화 도구 이다.
세마포어는 정수형 변수
S와P(try),V(increment)의 두 가지 원자적 함수로 구성된 신호 전달 메커니즘 동기화 도구이다.P는 임계 영역을 사용하려는 스레드의 진입 여부를 결정하는 연산으로Wait연산이라고도 하고,V는 대기 중인 프로세스를 깨우는 신호로Signal연산이라고도 한다.스레드가 임계 영역에 진입하지 못할 경우 자발적으로 대기(
Block) 상태에 들어가고 임계 영역을 빠져나오는 스레드가 대기 상태의 스레드를 실행 대기 상태로 깨워준다.자바에서는
java.util.concurrent패키지에 세마포어 구현체를 포함하고 있다. 직접 세마포어를 구현할 필요는 없다.
세마포어는 특정 신호에 의해 공유 자원의 접근을 제어하고 보호하는 신호 체계 동기화 도구이다.
세마포어 작동 방식
wait() 동작 방식
signal() 동작 방식
세마포어 유형
세마포어는 카운트 변수 S가 1인 이진 세마포어와 2 이상의 양수 값을 가진 카운팅 세마포어로 구분할 수 있다.
이진 세마포어 (Binary Semaphore)
세마포어를 뮤텍스 처럼 락으로 사용하기 위해서는 카운트 변수(
S)를 1로 설정하고 한 스레드 안에서 세마포어를 획득하고 해제 할 수 있도록 구현한다.한 스레드만이 세마포어를 획득할 수 있기 때문에 그 외 다른 모든 스레드가
acquired()를 호출하게 되면 해당 스레드가 세마포어를 해제하기 전까지 블록된다.
카운팅 세마포어 (Counting Semaphore)
카운팅 세마포어는 카운트 변수를 설정해서 스레드가 공유할 수 있는 자원의 최대치를 한정해서 운용하는 방식으로 자원 풀(pool)이나 컬렉션의 크기에 제한을 두고자 할 때 유용하다.
DB Connection 개수 제한, 파일 다운로드 동시 실행 제한 등
락을 획득한 스레드와 락을 해제하는 스레드는 다를 수 있으며 스레드 간 락과 락 해제를 위한 신호를 전달함으로 동기화를 구현한다.
최대 3개의 스레드의 접근을 허용하는 세마포어에 5개의 스레드들이 각각 동작한다
그 결과 락을 획득하고 해제하는 과정을 반복하면서 스레드들이 수행이 된다.
프로세스 순서화
세마포어는 스레드 간 프로세스 흐름을 순서화(Ordering) 할 수 있게 한다.
자바 세마포어 구조
뮤텍스와 세마포어
동작 방식
뮤텍스는 공유 자원에 대한 접근을 동시에 하나의 스레드만 가능하도록 보장한다. 즉, 뮤텍스는 상호 배제를 위한 동기화 기법이다.
세마포어는 카운팅 기법으로, 특정 개수의 스레드가 동시에 공유 자원에 접근할 수 있도록 제어한다.
0 또는 1의 값을 가진 이진 세마포어는 뮤텍스와 유사한 역할을 하며, 카운팅 세마포어는 양수 값을 가져 해당 개수만큼의 스레드가 동시 접근을 허용한다.
소유권
뮤텍스는 소유권이 있어서 락을 획득한 스레드만이 락을 해제할 수 있다. 즉, 락을 획득한 스레드가 락을 해제하지 않으면 다른 스레드는 해당 뮤텍스에 접근할 수 없다.
세마포어는 소유권이 없으며, 특정 개수의 스레드가 동시에 접근을 허용하는 카운팅 기법으로 작동한다. 따라서 세마포어를 사용하는 스레드들이 모두 세마포어를 해제할 수 있다.
초기값
뮤텍스는 기본적으로 잠겨있는 상태로 시작한다. 한 스레드가 뮤텍스를 획득하여 자원에 접근하면 다른 스레드들은 해당 뮤텍스를 획득하기 위해 블로킹된다.
세마포어는 초기값을 설정할 수 있으며, 초기값에 따라서 처음부터 스레드가 자원에 접근할 수 있는지 여부가 결정된다.
사용 목적
뮤텍스는 주로 상호 배제를 위해 사용되며 하나의 자원에 하나의 스레드만 접근하도록 보장해야 하는 경우에 사용된다.
세마포어는 주로 리소스의 한정적인 사용을 제어하는 데 사용되며 특정 개수의 스레드만이 동시에 자원에 접근하도록 제한하고자 할 때 사용된다.
자바에서는 뮤텍스를 고도화한 모니터 객체와 세마포어 구현체를 제공하고 있다.
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