운영체제 락 개념과 동기화 기법 (마무리: 락(Lock)과 동기화 정리)

📌 마무리: 락(Lock)과 동기화 정리

멀티스레딩 환경에서는 여러 개의 스레드가 동시에 실행되면서 공유 자원(Shared Resource) 에 접근하게 됩니다.
이 과정에서 데이터 무결성(Data Integrity) 을 보장하고, 경쟁 상태(Race Condition) 를 방지하기 위해 락(Lock) 을 사용하여 동기화를 수행합니다.

이번 학습에서는 뮤텍스(Mutex), 재진입 가능 락(RLock), 읽기-쓰기 락(RWLock), 스핀락(Spinlock), 세마포어(Semaphore) 등을 다루며,
각 기법이 어떤 상황에서 적절한지, 어떤 문제점을 가질 수 있는지, 어떻게 해결해야 하는지 를 배우고 실습하였습니다.

---

✔ 락을 활용하여 동기화를 이해하기

🔹 락(Lock)이 필요한 이유

멀티스레드 프로그래밍에서 여러 스레드가 동시에 같은 자원에 접근할 경우, 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

• 경쟁 상태(Race Condition) → 여러 스레드가 동시에 데이터를 수정하여 예측할 수 없는 결과 발생.
• 데이터 무결성(Data Integrity) 문제 → 공유 데이터가 잘못된 값으로 변경될 위험.
• 임계 영역(Critical Section) 보호 필요 → 특정 코드 블록에서 한 번에 하나의 스레드만 실행되도록 보장해야 함.

이를 해결하기 위해 락(Lock) 기반의 동기화 기법이 필요하며, 다음과 같은 다양한 락을 활용할 수 있습니다.

---

✔ OS 내부에서 락을 어떻게 관리하는지 배우기

운영체제(OS)에서는 다양한 락을 사용하여 프로세스 및 스레드 간 동기화 를 관리합니다.
각 락이 운영체제에서 어떻게 동작하는지 살펴보겠습니다.

🔹 1. 기본적인 동기화 기법

동기화 기법	개념	OS에서의 역할
뮤텍스 (Mutex)	하나의 스레드만 임계 영역에 접근 가능	프로세스 및 스레드 간 동기화
재진입 가능 락 (RLock)	같은 스레드가 여러 번 락을 획득 가능	재귀 호출 또는 동일 객체 내 락 사용
읽기-쓰기 락 (RWLock)	여러 개의 스레드가 동시에 읽기 가능, 쓰기는 단일 스레드만 가능	데이터베이스, 파일 시스템 동기화

---

🔹 2. 고급 동기화 기법

동기화 기법	개념	OS에서의 역할
스핀락 (Spinlock)	락이 해제될 때까지 CPU를 사용하며 바쁜 대기(Busy-Waiting)	운영체제 커널 락, 짧은 시간의 락 사용
세마포어 (Semaphore)	N개의 스레드가 동시에 접근 가능	네트워크 연결 동기화, 리소스 제한
커널 락 (Kernel Lock)	OS에서 사용하는 락 (Linux: Spinlock, Windows: SRWLock)	프로세스 간 동기화, OS 자원 보호

---

✔ 성능 최적화와 문제 해결 방법 익히기

락을 잘못 사용하면 데드락(Deadlock), 우선순위 역전(Priority Inversion), 병목 현상(Bottleneck) 등의 문제가 발생할 수 있습니다.
이를 해결하기 위한 방법을 정리하면 다음과 같습니다.

🔹 1. 데드락(Deadlock) 문제 해결

해결 방법	설명
락 획득 순서 지정	모든 스레드가 Lock을 획득할 때 항상 같은 순서로 락을 요청
타임아웃 설정	Lock이 일정 시간 동안 해제되지 않으면 강제로 해제
은행가 알고리즘(Banker's Algorithm)	Lock 요청을 미리 분석하여 데드락 가능성이 있으면 거부
자원 할당 그래프(Resource Allocation Graph)	데드락 탐지 알고리즘을 사용하여 데드락 발생 여부 확인 후 해결

---

🔹 2. 우선순위 역전(Priority Inversion) 문제 해결

해결 방법	설명
우선순위 상속 (Priority Inheritance)	낮은 우선순위 스레드가 Lock을 보유한 경우, 우선순위를 일시적으로 높여 빠르게 Lock을 해제하도록 함
우선순위 봉쇄 (Priority Ceiling)	특정 자원을 접근하는 스레드가 무조건 높은 우선순위를 가지도록 설정

---

🔹 3. 성능 최적화를 위한 락 선택 가이드

락 사용 목적	추천 동기화 기법
단순한 공유 자원 보호	Mutex
같은 스레드가 여러 번 Lock을 획득해야 함	RLock
읽기 작업이 많고, 쓰기 작업이 적은 경우	RWLock
빠르게 Lock을 획득/해제해야 함	Spinlock
일정 개수의 스레드만 접근 가능하도록 제한해야 함	Semaphore

---

🎯 최종 정리

배운 개념	설명
락(Lock)의 필요성	동시 실행되는 스레드 간 데이터 무결성 보호
뮤텍스, RLock, RWLock	기본적인 동기화 기법, 읽기-쓰기 분리 가능
스핀락, 세마포어	고급 동기화 기법, 커널 락 & 동시 접근 제한 가능
데드락 문제 해결	락 획득 순서 지정, 타임아웃 설정, 은행가 알고리즘 사용
우선순위 역전 문제 해결	우선순위 상속(Priority Inheritance) 기법 활용

---

📌 결론

이제 락을 활용하여 멀티스레딩 환경에서 안정적인 동기화를 구현하고, 운영체제 내부에서 락이 어떻게 관리되는지 이해하며, 데드락과 우선순위 역전 같은 문제 해결 방법을 활용하여 최적의 성능을 유지하는 동기화 기법을 설계할 수 있습니다! 🚀