[Concurrency] Lock: Mutex

Mutex는 MUtual Exclusive의 축약으로, 가장 대표적인 Lock 매커니즘 중 하나다.

원리는 매우 간단하다. 한번에 하나의 스레드만 공유 데이터에 접근 가능하도록 벽을 치는 것이다.
만약 2개의 스레드가 동시에 접근을 시도하면, Mutex는 하나의 스레드에만 우선권을 주고, 나머지는 끝날때까지 대기하도록 한다.

구현법

Mutex에서 atomic을 구현하는 방법은 딱히 정해져있는건 없다. Mutex는 그냥 방법론일 뿐이다.
상황에 따라서 CAS, TAS, FAA와 같은 Atomic Operation을 사용해서 원자성을 구현할 수 있다.

그래도 표준적인 구현 방식은 존재한다. 그게 바로 futex다. 자세한 것은 별도 포스트를 참조한다.
https://blog.naver.com/sssang97/224019441610

구현체마다 다르지만, Mutex는 보통 OS에서 제공하는 Mutex syscall에 의존한다.
OS 구현의 장점은 대기 시에 CPU를 낭비하지 않고 다른 프로세스에 yield를 할 수 있다는 것이다.

사용법 (Rust)

아래는 Rust에서 Mutex를 사용해서 동기화를 적용한 예다.
6개의 스레드를 돌려서 각각 공유변수에 1을 더하도록 했다.

lock을 점유한 상태에서 연산을 하기 때문에, 완전한 데이터 무결성이 보장이 된다.

데드락 (Dead Lock)

Mutex 같은 lock을 쓸때 공통적으로 주의해야 하는게 데드락이다.

lock을 선점한 스레드가 일을 끝냈음에도 lock을 놓지 않는 상황에 빠지면, 그 어떤 스레드도 진입이 불가능해진다. 이걸 데드락이라고 한다.

그래서 lock을 잡고나서 일을 다 봤으면, 바로바로 lock을 풀어줄 수 있도록 신경을 써줘야 한다.

성능

Mutex는 생각보다 그리 느리진 않지만, 그렇게 막 빠르지도 않다.
기본적으로 Lock 작업은 한자릿수 나노세컨드 수준에서 이뤄지는 operation이다.

하지만 하나의 스레드만 진입을 허가한다는 점에서 심각한 병목이 될 수는 있다.

그래서 읽기 비율이 매우 높은 경우에는 Read-Write Lock을 대신 사용하는 것이 좋고,
읽기나 쓰기나 전부 높아서 Lock으로 감당이 어려운 경우에는 Lock-free 기법들을 사용하는 것이 좋다.

vs 세마포어

Mutex는 개념적으로는 세마포어의 한 종류다. 0/1 상태만이 존재하는 binary 세마포어라고 부른다.

근데 사실, 구현 레벨에서는 반대로 세마포어가 Mutex 기반으로 구현되는 일이 잦다.
https://blog.naver.com/sssang97/224004662064

그래서 세마포어를 굳이 사용해야 하는 경우는 사실 많지 않다.
대부분의 응용프로그램에서는 Mutex 자체만으로도 충분하고, 효율적이다.

vs Lock Free

Mutex는 대부분의 사용사례에서 꽤 효율적이지만, 단일 지점에 write/read가 과다하게 몰리게 되면 성능이 급감하는 지점이 생긴다.

그럴 때는 Lock Free 기반의 구현을 고려해야 한다.
https://blog.naver.com/sssang97/223808633111
다만, Lock-Free는 하드웨어 스펙. 특히 코어 수가 상당히 많은 환경에서만 잘 동작한다는 사실을 알아둬야 한다.
코어 몇개 되지도 않는 작은 환경에서는 대부분 Mutex가 효율적이다.
Lock-Free라는 것은 그만큼 CPU 부하가 심하다는 이야기이기 때문이다.

참조
https://megayuchi.com/2017/06/25/srwlock-%EB%B9%A0%EB%A5%B8-%EC%84%B1%EB%8A%A5%EC%9D%98-%EB%B9%84%EA%B2%B0/