뮤텍스, 모니터 및 세마포어의 차이점

안녕! CodeGym에서 멀티스레딩을 공부할 때 "뮤텍스"와 "모니터"의 개념을 자주 접했습니다. 엿보지 않고 어떻게 다른지 말할 수 있습니까? :) 그렇다면 잘하셨습니다! 그렇지 않은 경우(이것이 가장 일반적임) 놀라운 일이 아닙니다. "뮤텍스"와 "모니터"는 실제로 관련된 개념입니다. 또한 다른 웹사이트에서 멀티스레딩에 대한 강의를 읽고 비디오를 볼 때 "세마포어"라는 또 다른 유사한 개념을 보게 될 것입니다. 또한 모니터 및 뮤텍스와 매우 유사한 기능을 가지고 있습니다. 이것이 우리가 이 세 가지 용어를 조사하는 이유입니다. 몇 가지 예를 살펴보고 이러한 개념이 서로 어떻게 다른지 확실하게 이해하게 될 것입니다. :)

뮤텍스

뮤텍스(또는 잠금)는 스레드 동기화를 위한 특수 메커니즘입니다. 하나는 Java의 모든 개체에 "연결"되어 있습니다. 여러분은 이미 알고 있습니다 :) 표준 클래스를 사용하든 자신만의 클래스를 생성하든 상관 없습니다. 예를 들어 Cat 및 Dog : 모든 클래스의 모든 개체에는 뮤텍스가 있습니다 . "뮤텍스"라는 용어는 그 목적을 완벽하게 설명하는 "MUTual EXclusion"에서 유래했습니다. 이전 수업 중 하나에서 말했듯 이 뮤텍스를 사용하면 한 번에 하나의 스레드만 개체에 액세스할 수 있습니다. 뮤텍스의 인기 있는 실제 사례는 화장실과 관련이 있습니다. 사람이 변기 칸막이에 들어가면 안쪽에서 문을 잠급니다. 화장실은 여러 스레드에서 액세스할 수 있는 개체와 같습니다. 파티션 도어의 잠금 장치는 뮤텍스와 같으며 외부 사람들의 줄은 스레드를 나타냅니다. 문에 있는 자물쇠는 화장실의 뮤텍스입니다. 한 사람만 안으로 들어갈 수 있도록 합니다. 즉, 한 번에 하나의 스레드만 공유 리소스로 작업할 수 있습니다. 점유된 리소스에 대한 액세스 권한을 얻으려는 다른 스레드(사람)의 시도는 실패합니다. 뮤텍스에는 몇 가지 중요한 기능이 있습니다. 첫째 , "잠금 해제"와 "잠김"의 두 가지 상태만 가능합니다. 이는 작동 방식을 이해하는 데 도움이 됩니다. 부울 변수(참/거짓) 또는 이진수(0/1)를 사용하여 평행을 그릴 수 있습니다. , 상태를 직접 제어할 수 없습니다. Java에는 명시적으로 개체를 가져오고, 뮤텍스를 가져오고, 원하는 상태를 할당할 수 있는 메커니즘이 없습니다. 즉, 다음과 같은 작업을 수행할 수 없습니다.

Object myObject = new Object();
Mutex mutex = myObject.getMutex();
mutex.free();

즉, 개체의 뮤텍스를 해제할 수 없습니다. Java 머신만이 직접 액세스할 수 있습니다. 프로그래머는 언어 도구를 통해 뮤텍스를 사용합니다.

감시 장치

모니터는 뮤텍스에 대한 추가 "상부 ​​구조"입니다. 실제로 모니터는 프로그래머에게 "보이지 않는" 코드 덩어리입니다. 이전에 뮤텍스에 대해 이야기했을 때 간단한 예를 들었습니다.

public class Main {

   private Object obj = new Object();

   public void doSomething() {

       // ...some logic, available for all threads

       synchronized (obj) {

           // Logic available to just one thread at a time
       }
   }
}

synchronized 키워드 로 표시된 코드 블록에서 obj 개체 의 뮤텍스를 획득합니다. 좋아, 우리는 자물쇠를 얻을 수 있지만 정확히 어떻게 "보호"가 제공됩니까? synchronized 라는 단어가 표시되면 다른 스레드가 블록에 진입하는 것을 막는 것은 무엇입니까? 보호는 모니터에서 나옵니다! 컴파일러는 동기화된 키워드를 몇 가지 특수 코드 조각으로 변환합니다. 다시 한 번 doSomething() 메서드가 있는 예제로 돌아가겠습니다 . 우리는 그것에 추가할 것입니다:

public class Main {

   private Object obj = new Object();

   public void doSomething() {

       // ...some logic, available for all threads

       // Logic available to just one thread at a time
       synchronized (obj) {

           /* Do important work that requires that the object
           be accessed by only one thread */
           obj.someImportantMethod();
       }
   }
}

다음은 컴파일러가 이 코드를 변환한 후 "내부적으로" 일어나는 일입니다.

public class Main {

   private Object obj = new Object();

   public void doSomething() throws InterruptedException {

       // ...some logic, available for all threads

       // Logic available to just one thread at a time:
     
       /* as long as the object's mutex is busy,
       all the other threads (except the one that acquired it) are put to sleep */
       while (obj.getMutex().isBusy()) {
           Thread.sleep(1);
       }

       // Mark the object's mutex as busy
       obj.getMutex().isBusy() = true;

       /* Do important work that requires that the object
       be accessed by only one thread */
       obj.someImportantMethod();

       // Free the object's mutex
       obj.getMutex().isBusy() = false;
   }
}

물론 이것은 실제 사례가 아닙니다. 여기서 우리는 자바 머신 내부에서 일어나는 일을 묘사하기 위해 자바와 유사한 코드를 사용했습니다. 즉, 이 의사 코드는 동기화된 블록 내부의 개체 및 스레드에서 실제로 발생하는 일과 컴파일러가 이 키워드를 프로그래머에게 "보이지 않는" 여러 명령문으로 변환하는 방법에 대한 탁월한 이해를 제공합니다. 기본적으로 Java는 synchronized 키워드를 사용하여 모니터를 나타냅니다 . 마지막 예제에서 synchronized 키워드 대신 나타나는 코드는 모두 모니터입니다.

신호기

멀티스레딩에 대한 개인적인 연구에서 접하게 될 또 다른 단어는 "세마포어"입니다. 이것이 무엇이며 모니터 및 뮤텍스와 어떻게 다른지 알아봅시다. 세마포어는 일부 리소스에 대한 액세스를 동기화하는 도구입니다. 그것의 독특한 특징은 카운터를 사용하여 동기화 메커니즘을 생성한다는 것입니다. 카운터는 공유 리소스에 동시에 액세스할 수 있는 스레드 수를 알려줍니다. Java의 세마포어는 Semaphore 클래스 로 표시됩니다 . 세마포어 개체를 만들 때 다음 생성자를 사용할 수 있습니다.

Semaphore(int permits)
Semaphore(int permits, boolean fair)

다음을 생성자에 전달합니다.

int permits — 카운터의 초기값과 최대값. 즉, 이 매개변수는 공유 리소스에 동시에 액세스할 수 있는 스레드 수를 결정합니다.
• boolean fair — 스레드가 액세스 권한을 얻는 순서를 설정합니다. fair 가 참 이면요청한 순서대로 대기 중인 스레드에 대한 액세스 권한이 부여됩니다. 거짓이면 스레드 스케줄러에 의해 순서가 결정됩니다.

세마포어 사용의 고전적인 예는 식사하는 철학자 문제입니다. 이해를 돕기 위해 조금 단순화하겠습니다. 점심을 먹어야 하는 5명의 철학자가 있다고 상상해 보십시오. 또한 두 명 이상 동시에 수용할 수 있는 테이블이 하나 있습니다. 우리의 임무는 모든 철학자를 먹이는 것입니다. 그들 중 누구도 배고프지 않아야 하며, 테이블에 앉으려고 할 때 서로 "차단"해서는 안 됩니다(교착 상태를 피해야 합니다). 철학자 수업은 다음과 같습니다.

class Philosopher extends Thread {

   private Semaphore sem;

   // Did the philosopher eat?
   private boolean full = false;

   private String name;

   Philosopher(Semaphore sem, String name) {
       this.sem=sem;
       this.name=name;
   }

   public void run()
   {
       try
       {
           // If the philosopher has not eaten
           if (!full) {
               // Ask the semaphore for permission to run
               sem.acquire();
               System.out.println(name + " takes a seat at the table");

               // The philosopher eats
               sleep(300);
               full = true;

               System.out.println(name + " has eaten! He leaves the table");
               sem.release();

               // The philosopher leaves, making room for others
               sleep(300);
           }
       }
       catch(InterruptedException e) {
           System.out.println("Something went wrong!");
       }
   }
}

프로그램을 실행하는 코드는 다음과 같습니다.

public class Main {

   public static void main(String[] args) {

       Semaphore sem = new Semaphore(2);
       new Philosopher(sem, "Socrates").start();
       new Philosopher(sem,"Plato").start();
       new Philosopher(sem,"Aristotle").start();
       new Philosopher(sem, "Thales").start();
       new Philosopher(sem, "Pythagoras").start();
   }
}

우리는 조건을 만족시키기 위해 카운터가 2로 설정된 세마포어를 만들었습니다. 두 명의 철학자만 동시에 먹을 수 있습니다. 즉, Philosopher 클래스가 Thread 를 상속하기 때문에 동시에 두 개의 스레드만 실행할 수 있습니다 ! Semaphore 클래스의 capture () 및 release() 메서드는 액세스 카운터를 제어합니다. Acquire() 메서드는 세마포어에 리소스에 대한 액세스를 요청합니다. 카운터가 >0이면 액세스가 허용되고 카운터가 1 감소합니다. release ()메서드는 이전에 부여된 액세스를 "해제"하여 카운터로 반환합니다(세마포어의 액세스 카운터를 1씩 증가). 프로그램을 실행하면 무엇을 얻을 수 있습니까? 문제가 해결되었습니까? 우리 철학자들은 차례를 기다리면서 싸우지 않을까요? :) 우리가 얻은 콘솔 출력은 다음과 같습니다.

Socrates takes a seat at the table 
Plato takes a seat at the table 
Socrates has eaten! He leaves the table 
Plato has eaten! He leaves the table 
Aristotle takes a seat at the table 
Pythagoras takes a seat at the table 
Aristotle has eaten! He leaves the table 
Pythagoras has eaten! He leaves the table 
Thales takes a seat at the table 
Thales has eaten! He leaves the table 

우리는 해냈다! 그리고 Thales는 혼자 식사를 해야 했지만 우리가 그를 화나게 했다고 생각하지 않습니다. :) 뮤텍스와 세마포어 사이의 유사점을 눈치챘을 것입니다. 사실, 그들은 동일한 임무를 가지고 있습니다. 일부 리소스에 대한 액세스를 동기화하는 것입니다. 유일한 차이점은 개체의 뮤텍스는 한 번에 하나의 스레드에서만 얻을 수 있지만 스레드 카운터를 사용하는 세마포어의 경우 여러 스레드가 동시에 리소스에 액세스할 수 있다는 것입니다. 이것은 단순한 우연이 아닙니다 :) 뮤텍스는 실제로 세마포어입니다즉, 단일 스레드를 수용할 수 있는 세마포어입니다. 카운터가 1("잠금 해제됨")과 0("잠금됨")의 2개 값만 가질 수 있기 때문에 "바이너리 세마포어"라고도 합니다. 그게 다야! 보시다시피, 결국 그렇게 혼란스럽지 않습니다 :) 이제 인터넷에서 멀티스레딩을 더 자세히 공부하고 싶다면 이러한 개념을 탐색하는 것이 조금 더 쉬울 것입니다. 다음 수업에서 만나요!