뮤텍스와 세마포어: 자바에서의 동시성 제어 이해하기 (WITH JAVA, JUNIT5)

멀티스레딩 환경에서 여러 스레드가 동시에 같은 리소스에 접근하려 할 때,

데이터의 일관성과 무결성을 유지하는 것이 중요합니다. 

 

이를 위해 자바에서는 뮤텍스(Mutex)와 세마포어(Semaphore) 같은 동기화 메커니즘을 제공합니다. 

이 글에서는 뮤텍스와 세마포어의 개념을 설명하고, 차이점을 자바 예제와 테스트코드로 함께 살펴보겠습니다.

 

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뮤텍스(Mutex)

뮤텍스는 Mutual Exclusion(상호 배제)의 약자이다.

한 번에 하나의 스레드만이 특정 리소스나 코드 섹션에 접근할 수 있도록 합니다.

 

리소스에 접근하는 스레드가 뮤텍스를

1. '잠그고(lock)'

2. 작업을 한다

3. '해제(unlock)'

즉 한 시점에 단 하나의 스레드만이 리소스를 사용할 수 있게 됩니다.

 

자바에 ReentrantLock 라는 Lock 인터페이스의 구현체 클래스가 있습니다.

ReentrantLock 라는 녀석을 이용해서 락의 획득과 해제를 수기로 제어가 가능합니다.

자세한 사용법은 아래의 참고자료 오라클 홈페이지에서 읽어보세요.

 

뮤텍스(Mutex) 예제 및 테스트코드

// 예제코드
public class MutexExample {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();

    public void accessResource(int threadId) {
    	// 자원 진입 시도
        System.out.println("Thread " + threadId + " is trying to access the resource.");
        lock.lock();
        try {
            // 자원 진입!
            System.out.println("Thread " + threadId + " is accessing the resource.");
            // 자원에 대한 작업을 수행하는 동안 지연을 추가하여 로그 출력 관찰
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            // 자원 사용 완료!
            System.out.println("Thread " + threadId + " is releasing the resource.");
            lock.unlock();
        }
    }
}

 

 

락으로 잡고 해제하고

진입시도, 진입, 완료를 로그로 찍는 코드입니다.

// 테스트코드
class MutexExampleTest {

    @Test
    @DisplayName("Mutex로 자원접근")
    void mutexAccess() throws InterruptedException {
        final MutexExample example = new MutexExample();
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5); // 동시에 5개의 스레드를 실행

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int threadId = i;
            executor.submit(() -> example.accessResource(threadId));
        }

        executor.shutdown();
        boolean finished = executor.awaitTermination(10, TimeUnit.SECONDS);
        assert finished;
    }
}

 

스레드 5개로 하나의 공유자원에 접근하는 뮤텍스 시나리오 테스트코드입니다.

뮤텍스 테스트코드 실행결과

실행 결과를 보면

하나의 스레드가 끝이나야 -> 다른 스레드가 진입을 할 수 있음을 알 수 있습니다.

 

 

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세마포어(Semaphore)

세마포어는 리소스에 동시에 접근할 수 있는 스레드의 수를 제한합니다. 

세마포어는 특정 수의 '허가증(permits)'을 가지고 있으며,

자바에서 semaphore클래스의 acquire() 메서드가 허가증을 주는 역할을 한다고 보시면 됩니다.

스레드가 리소스에 접근하기 위해서는 허가증을 획득해야 합니다. 

모든 허가증이 사용 중일 때 추가 스레드는 허가증이 반환될 때까지 대기합니다.

 

자바예제로 바로 확인해보겠습니다

 

세마포어(Semaphore) 예제 및 테스트코드

// 예제코드
public class SemaphoreExample {
    private final Semaphore semaphore = new Semaphore(3); // 동시에 3개의 스레드만 접근 가능

    public void accessResource(int threadId) {
        try {
            // 자원 진입 시도
            System.out.println("Thread " + threadId + " is trying to access the resource.");
            
            // 허가증 획득 시도
            semaphore.acquire();
            
            // 자원 진입!
            System.out.println("Thread " + threadId + " is accessing the resource.");
            
            // 자원에 대한 작업을 수행하는 동안 일부 지연을 추가
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            System.out.println("Thread " + threadId + " is releasing the resource.");
            semaphore.release();
        }
    }
}

// 테스트코드
class SemaphoreExampleTest {

    @Test
    @DisplayName("Semaphore로 자원접근")
    void semaphoreAccess() throws InterruptedException {
        final SemaphoreExample example = new SemaphoreExample();
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10); // 동시에 10개의 스레드를 실행

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int threadId = i;
            executor.submit(() -> example.accessResource(threadId));
        }

        executor.shutdown();
        boolean finished = executor.awaitTermination(20, TimeUnit.SECONDS);
        assert finished;
    }
}

 

스레드 10개로 3개의 공유자원(허가증)에 접근하는 세마포어 시나리오 테스트코드입니다.

세마포어 테스트코드 실행결과

 

3개의 스레드가 허용가능하고, 허가증 사용이 끝나면 진입이 가능한 것을 볼 수 있습니다.

 

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뮤텍스와 세마포어 비교

기능	뮤텍스	세마포어
동시 접근 가능 스레드 수	1	제한된 수 (1 이상)
사용 목적	상호 배제를 통한 단일 리소스 접근 제어	제한된 수의 리소스 동시 접근 제어
메커니즘	Lock/Unlock	Acquire/Release

 

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결론

뮤텍스와 세마포어는 자바에서 동시성을 제어하는 데 필수적인 동기화 메커니즘입니다. 

뮤텍스는 주로 상호 배제를 통해 리소스에 대한 독점적 접근을 제어하는 데 사용된다.

세마포어는 동시에 여러 스레드가 리소스에 접근할 수 있도록 제한적으로 허용하는 데 사용됩니다.

 

이러한 동기화 메커니즘을 통해 멀티스레딩 환경에서 데이터의 일관성과 무결성을 보장할 수 있습니다.

 

 

 

 

참고자료

https://medium.com/@kwoncharles/%EB%AE%A4%ED%85%8D%EC%8A%A4-mutex-%EC%99%80-%EC%84%B8%EB%A7%88%ED%8F%AC%EC%96%B4-semaphore-%EC%9D%98-%EC%B0%A8%EC%9D%B4-de6078d3c453

뮤텍스(Mutex)와 세마포어(Semaphore)의 차이

https://docs.oracle.com/javase%2F8%2Fdocs%2Fapi%2F%2F/java/util/concurrent/locks/ReentrantLock.html

ReentrantLock (Java Platform SE 8 )

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/concurrent/Semaphore.html

Semaphore (Java Platform SE 8 )