mutex & 조건변수

윤 상배

dreamyun@yahoo.co.kr



1절. 소개

그동안 Pthread_1, Pthread_2, Pthread_3, 을 통해서 pthread 에 대한 몇가지 기본적인 내용들에 대해서 알아 보았다.

그중 Pthread_3 에서 조건변수와, mutex 잠금에 대한 설명이 있었는데, 설명만 있었고 실질적인 예를 이용한 테스트는 없었다.

이번에는 mutex 잠금과 조건변수에 대한 이해를 도울수 있는 간단한 어플리케이션을 제작해보고 어떠한 문제점을 가질수 있는지에 대한 테스트도 하게 될것이다.


2절. Mutex 잠금과 조건변수 테스트

2.1절. 테스트용 어플리케이션 개요

테스트용 어플리케이션의 이름은 mutex_con.c 로 하도록 하겠다. 이 프로그램은 3개의 쓰레드로 이루어진다. 첫 번째 쓰레드는 main 쓰레드로 나머지 2개의 쓰레드(thread 1, thread 2) 를 생성하고 (pthread_create) join 하는 일을 하게 될것이다(즉 특별히 하는일 없다). 2번째 쓰레드는 2개의 int 형 멤버변수를 가지는 구조체에 접근해서 특정한 숫자를 입력하게 된다. 3번째 쓰레드는 이 구조체에 접근해서 멤버변수의 값을 읽어와서 "뎃셈" 하고 이를 화면에 출력시켜주는 일을한다.

이때 이 구조체는 2번 쓰레드와 3번쓰레드 모두가 접근하게 되므로 mutex 잠금을 이용해서 한번에 하나의 쓰레드만 접근하도록 제어해야 될것이다.

mutex 잠금을 이용한 접근제어 외에도, 3번째 쓰레드는 2번째 쓰레드에 의해서 구조체의 값이 변경되었다는걸 감지하고, 값이 변경된 시점에서 구조체에 접근해야 한다. 즉 구조체의 값이 변경될때까지 기다려야 한다. 이 "기다림" 을 위해서 조건변수를 사용하게 된다.

이 조건변수라는 것은 간단히 말해서 신호(signal)를 주고 받는 개념이다. 한쪽에서는 신호를 기다리다가, 신호가 오면 신호를 감지해서 필요한 일을 하게 되는 개념이다.


2.2절. 조건변수를 통해 얻는 프로그래밍 상의 이점

조건변수를 사용하지 않는 다면 어떻게 될까. (물론 조건변수 대신 세마포어를 사용할수도 있으나 이는 논외로 하자.) 그렇다면 thread 2 에서는 구조체의 정보가 변경되었는지 알수 없음으로 구조체의 정보가 변경되었는지 확인하기 위해서 busy wait(바쁜대기 상태)에 놓이면서 지속적으로 값이 변경되었는지를 확인해야 할것이다.

하지만 이건 좋은 방법이 아니다. busy wait 상태란 점도 맘에 들지 않지만 실제로 thread 1 에서 값을 변경했는데 기존의 값과 같을수도 있기 때문이다. 기존의 값과 같든지 아니든지 간에 thread 2 에서는 값을 읽어들여야 하는데, 값의 변경을 확인하는 방법으론 체크자체가 불가능해 질수가 있다.

위의 문제를 해결하기 위해서 별도의 변수를 하나더 둘수 있을것이다. 그래서 thread 1 에서 구조체의 값을 변경시켰다면 이 별도의 준비한 변수의 값을 변경하는 것이다. 그리고 thread 2 에서는 바쁜 대기 상태에서 이 변수의 값이 변경되었는지 확인해서 구조체의 값을 가져오는 것이다. 이 방법을 사용하면 위의 문제를 해결할수 있겠지만, 역시 바쁜 대기 상태에 놓이게 된다는 단점을 가지게 된다.

조건 변수를 사용하면 이러한 모든 문제를 해결할수 있다. 조건 변수를 사용하게 되면 thread 2 에서는 thread 1 에서 조건변수를 통해서 시그널을 보내기 전까지 대기 상태에 놓일수 있을것이기 때문이다.

조건변수는 메모리 buffer 처리등에 유용하게 사용될수 있을것이다. 조건변수를 사용함으로써, 만약에 메모리 buffer 에 처리해야될 자료가 없다면 busy wait 상태에 놓일 필요 없이 signal 을 기다리면 될것이기 때문이다. 그래서 signal 이 도착하면 메모리 buffer 에 엑세스를 시도해서 최근의 정보를 가져오면 될것이다. 이 외에도 조건변수는 쓰레드간 동기화등과 같은 다른 영역에도 매우 유용하게 사용할수 있다.


2.3절. 작동 프로세스

작동 프로세스는 어떻게 mutex 잠금과 조건변수를 이용해서 임계영역을 보호하고 구조체의 값의 변경시점을 알수 있는지에 대한 내용을 중심으로 해서 기술할것이다.

  thread 2  
  while (1) 
  {
      mutex 잠금을 얻는다. 
      // 임계영역 시작 ----------------------------------------------
      구조체에 접근해서 값을 가져온다.  
      구조체 멤버변수의 값을 변경한다.(2씩 더한다)
      pthrad_cond_signal 를 이용해서 조건변수를 통해 신호를 보낸다. 
      // 임계영역 끝 ------------------------------------------------
      mutex 잠금을 돌려준다.
	  sleep(1);
  } 

  thread 3
  while(1)
  {
      mutex 잠금을 얻는다. 
      // 임계영역 시작 ----------------------------------------------
      pthread_cond_wait 를 이용해서 조건변수를 통해 신호가 오는지 기다린다.   
      if (신호가 도착한다면)
          두개의 구조체 멤버변수의 값을 덧셈 하고 이를 출력한다. 
      // 임계영역 끝 ------------------------------------------------
      mutex 잠금을 돌려준다.
  }
			


2.4절. 코딩

이제 작동프로세스까지 만들어졌으니, 코딩에 들어가도록 한다. 코딩에 들어가기 위해서는 작동프로세스 외에도 설계서가 필요할것이지만, 이러한 경우 매우 간단한 프로그램으로 작동프로세스 자체가 설계서나 마찬가지임으로 설계서 이런건 생략하도록 하겠다.

예제 : mutex_con.c

#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

pthread_mutex_t mutex_lock   = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t   thread_cond  = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

struct com_data
{
    int a;
    int b;
};

struct com_data mydata;

void *do_write(void *data)
{
    mydata.a = 0;
    mydata.b = 0;
    while(1)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex_lock);
        mydata.a = random() % 6000;
        mydata.b = random() % 6000;
        pthread_cond_signal(&thread_cond);
        pthread_mutex_unlock(&mutex_lock);
        sleep(2);
    }
}

void *do_read(void *data)
{
    while(1)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex_lock);
        pthread_cond_wait(&thread_cond, &mutex_lock);
        printf("%4d + %4d = %4d\n", mydata.a, mydata.b, mydata.a + mydata.b); 
        pthread_mutex_unlock(&mutex_lock);
    }
}

int main()
{
    pthread_t p_thread[2];
    int thr_id;
    int status;
    int a = 1;
    int b = 2;

    thr_id = pthread_create(&p_thread[0], NULL, do_write, (void *)&a); 
    thr_id = pthread_create(&p_thread[1], NULL, do_read, (void *)&b);

    pthread_join(p_thread[0], (void **) status);
    pthread_join(p_thread[1], (void **) status);

    return 0;
}

			

프로그램자체는 매우 간단하지만 조건변수의 기본적인 사용방법을 알수 있을것이다.


2.5절. 조건변수 사용시 주의해야될 사항

조건변수에는 pthread_cond_signal 과 ptherad_cond_wait 를 이용해서 신호를 주고, 기다리는 방식을 사용한다고 했다. 그렇다면 생각할수 있는게, 과연 신호가 실시간으로 전달이 될것이란걸 믿을수 있을까?

실시간으로 전달되는지 아닌지가 중요한 이유는 쓰레드가 신호를 보내고 나서 신호를 잘받았는지 기다리지 않고 바로 다음으로 넘어가 버리기 때문이다.

이건 꽤 중요한 문제가 될수도 있다. 왜냐하면 만약 신호가 실시간으로 전달되지 않는다면 신호가 미쳐 전달되기 전에 어떤 데이타가 변경되어 버리는 경우가 발생할수 있기 때문이다.

            쓰레드 공유변수 A = 0

 thread 1                                    thread 2
 while(1)                                    while(1)
 {                                           {
     쓰레드 공유변수 A++      
     신호 보냄           ------------------>     신호  기다림
  }                                           } 
                                           
			
위의 상황을 생각해 보자 최초 공유변수 A 에 0 이 들어간다. thread 1 에서 여기에 1 을 증가시키고 신호를 보낸다. thread 2 는 신호를 받고 A 의 값을 읽어 들여서 이것을 100 으로 나눈다. 그런데 신호가 늦게 보내져서 - thread 1 의 loop 회전속도가 신호를 보내는 시간보다 빠른경우 - thread 2 에서 신호를 미쳐 받기전에 A ++ 이 한번더 실행되고 A 의 값은 2가 될것이다. 이때 서야 thread 2 로 신호가 전달되었다면 결국 thread 1 에서는 2번의 데이타를 보냈는데 thread 1 는 한번의 연산만 실행한것으로 데이타 하나를 잃어 버린것과 같은 문제가 발생해 버린다.

신호는 매우 빠른 시간에 전달됨으로 보통의 경우 신호전달시간을 염두에 두어야 하는 경우는 발생하지 않을것이다. 하지만 불행하게도 염두에 두어야 하는 경우가 발생하기도 한다.

물론 우리 프로그래머들의 사전에 불가능이란 없으므로 위의 문제도 간단하게 해결가능 하다. 조건변수를 2개 쓰면 된다. thread 1 에서 신호를 보냈다면, thread 1 은 다음 루틴으로 넘어가기 전에 thread 2 에서 넘어오는 신호를 기다리도록 하면 될것이다. thread 2 는 thread 1의 신호를 받은뒤 thread 1으로 신호를 보내게 될것임으로 반드시 신호가 전달될것을 확신할수 있을것이다. 2개의 조건변수를 지원하기 위해서 2개의 mutex 잠금이 필요할것이다. 여기에서는 그 구현까지 설명하지는 않을것이다. 조금만 생각해보면 간단하게 구현 가능할것이기 때문이다.

 thread 1                                    thread 2
 while(1)                                    while(1)
 {                                           {
     쓰레드 공유변수 A++      
     신호 1 보냄           ----------------->     신호 1 기다림
	 신호 2 기다림         <----------------      신호 2 보냄
     ....                                            ....
 }                                           } 
  			

신호의 전달에 걸리는 시간은 운영체제에 따라 상당한 차이를 보인다. 그러므로 이러한 오차시간까지도 염두에 두어야할 상황이 발생한다면 시간테스트를 해야할것이다.

Posted by 김용환 '김용환'

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