동기화 객체란?

동기화 객체란?

멀티스레드 환경에서 여러 실행 흐름이 공유 자원에 동시에 접근하면 충돌이나 비정상적인 동작이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 사용되는 도구가 동기화 객체(Synchronization Primitives)이다.

대표적인 동기화 객체로는 뮤텍스(Mutex), 세마포어(Semaphore), 스핀락(Spin Lock)이 있으며,
각각의 특징과 사용 목적은 다르다.

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뮤텍스 (Mutex)

뮤텍스는 Mutual Exclusion의 줄임말로, 단일 자원에 대해 하나의 스레드만 접근할 수 있도록 제한한다.

• lock()과 unlock()으로 자원 접근을 제어한다.
• 락을 획득한 스레드만 해제할 수 있는 소유 개념이 존재한다.
• 다른 스레드가 락을 요청하면 커널이 해당 스레드를 대기 상태로 전환시킨다.
• 일반적으로 임계영역 보호를 위한 가장 보편적인 도구다.

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세마포어 (Semaphore)

세마포어는 정수형 카운터로 동작하는 동기화 객체로, 복수 자원이나 순서 제어가 필요한 상황에서 사용된다.

• wait() 또는 P() 연산으로 카운터를 감소시키며, 0 이하이면 블로킹된다.
• signal() 또는 V() 연산으로 카운터를 증가시키며, 대기 중인 스레드를 깨운다.
• 소유 개념이 없어, 자원을 점유한 스레드가 아닌 다른 스레드도 signal() 호출 가능하다.
• 스레드 간뿐 아니라 프로세스 간 동기화에도 사용할 수 있다.
• 카운팅 세마포어는 복수 자원을 제어하고, 이진 세마포어는 뮤텍스처럼 동작할 수 있다.

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스핀락 (Spin Lock)

스핀락은 짧은 시간 동안 자원 보호가 필요할 때 사용하는 경량 락이다.

• 락이 걸려 있는 동안에도 스레드는 CPU를 양보하지 않고 반복(loop)하면서 락을 계속 확인한다.
• 락이 해제되면 즉시 진입할 수 있으므로, 컨텍스트 스위칭 비용 없이 빠른 동기화가 가능하다.
• 단점은 CPU를 계속 점유하며 대기(busy waiting)하므로, 자원 대기 시간이 길 경우 비효율적이다.
• 주로 커널 내부, 멀티코어 환경, 실시간 제어 루프 같은 곳에서 사용된다.

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세 가지 동기화 객체 비교

항목	뮤텍스 (Mutex)	세마포어 (Semaphore)	스핀락 (Spin Lock)
자원 수	단일 자원 보호	다중 자원 보호 가능	단일 자원 보호
소유 개념	있음 (락 건 스레드만 해제 가능)	없음 (다른 스레드도 해제 가능)	없음
사용 대상	스레드 간 동기화	스레드/프로세스 간 동기화	스레드 간 (짧은 대기 시간)
동작 방식	lock / unlock	wait / signal	반복 검사 (busy waiting)
블로킹 여부	블로킹 (스레드 대기 상태)	블로킹	비블로킹 (CPU 점유)
특징	일반적인 임계영역 보호	자원 수 관리, 순서 제어	빠른 락, CPU 낭비 가능성

 

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사용 예시

• 뮤텍스: 파일 쓰기, 데이터베이스 연결 등 하나의 자원을 보호할 때
• 세마포어: 제한된 수의 리소스 풀(DB 커넥션 풀, 버퍼 슬롯) 제어
• 스핀락: 커널 내부 짧은 임계영역, 인터럽트 컨텍스트, busy-wait 상황