세마포어와 뮤텍스: 공유 자원 지키기

문제

태스크 A가 UART로 "TEMP=25"를 보내는 도중 태스크 B가 끼어들어 "SPD=100"을 보내면 "TEMSPD=100P=25"가 나갑니다. 공유 자원은 한 번에 하나만 쓰게 해야 합니다.

뮤텍스: 열쇠 하나

xSemaphoreTake(uart_mutex, portMAX_DELAY);
uart_send(buf, len);
xSemaphoreGive(uart_mutex);

• 가진 태스크만 돌려줄 수 있습니다.
• 우선순위 상속이 들어 있어 우선순위 역전을 줄입니다.
• 인터럽트에서는 쓰지 않습니다.

세마포어: 신호

• 이진 세마포어: "일이 생겼다"는 신호. 인터럽트가 Give, 태스크가 Take하며 기다림
• 카운팅 세마포어: 자원이 N개일 때(버퍼 슬롯 N개) 남은 개수 관리

void USART1_IRQHandler(void) {        // 인터럽트
    BaseType_t woken = pdFALSE;
    xSemaphoreGiveFromISR(rx_sem, &woken);
    portYIELD_FROM_ISR(woken);
}

인터럽트에서는 반드시 FromISR 버전 함수를 씁니다.

데드락

A가 자원1을 잡고 자원2를 기다리고, B가 자원2를 잡고 자원1을 기다리면 둘 다 영원히 멈춥니다. 여러 자원을 잡을 때는 항상 같은 순서로 잡고, 잡고 있는 시간을 짧게 합니다. 아예 자원을 하나의 태스크가 소유하고 다른 태스크는 큐로 요청하게 만드는 것이 더 안전한 설계입니다.

무엇이 문제인가

두 태스크가 같은 UART로 문자열을 내보내면 글자가 섞입니다. 더 위험한 것은 이런 코드입니다.

counter = counter + 1;      // 읽기 → 더하기 → 쓰기, 세 단계

태스크 A가 값을 읽은 직후 태스크 B로 바뀌어 B가 값을 올리면, 다시 돌아온 A는 예전 값에 1을 더해 써서 B의 증가분이 사라집니다. 이렇게 한 번에 한 태스크만 들어가야 하는 구간을 임계 구역이라고 합니다.

셋의 차이

	뮤텍스	이진 세마포어	카운팅 세마포어
용도	자원 보호	사건 알림	개수 세기
주인	있음 (잠근 태스크만 풀 수 있음)	없음	없음
우선순위 상속	있음	없음	없음
ISR에서 사용	불가	주기(give)만 가능	주기만 가능

자원을 지킬 때는 뮤텍스, 무슨 일이 일어났다고 알릴 때는 세마포어로 기억하면 됩니다.

3D 실험실여기까지 읽은 내용을 직접 돌려 볼 수 있습니다→

뮤텍스로 자원 지키기

if (xSemaphoreTake(uart_mutex, pdMS_TO_TICKS(50)) == pdTRUE) {
    uart_send(msg);                     // 짧게
    xSemaphoreGive(uart_mutex);
} else {
    err_count++;                        // 타임아웃도 처리
}

무한 대기(portMAX_DELAY) 대신 타임아웃을 주면, 어딘가에서 잠금을 풀지 않았을 때 시스템 전체가 멈추는 대신 오류로 드러납니다.

세마포어로 인터럽트에서 태스크 깨우기

void EXTI0_IRQHandler(void) {
    BaseType_t woken = pdFALSE;
    EXTI->PR = EXTI_PR_PR0;
    xSemaphoreGiveFromISR(btn_sem, &woken);
    portYIELD_FROM_ISR(woken);          // 더 급한 태스크가 깨어났으면 바로 전환
}

void button_task(void *arg) {
    for (;;) {
        xSemaphoreTake(btn_sem, portMAX_DELAY);   // 사건이 올 때까지 CPU를 쓰지 않고 대기
        handle_button();
    }
}

인터럽트 핸들러는 깃발만 올리고, 실제 처리는 태스크가 합니다. ISR 안에서는 반드시 FromISR로 끝나는 함수를 씁니다.

교착 상태

태스크 A가 뮤텍스 1을 잡고 2를 기다리는데, 태스크 B는 2를 잡고 1을 기다리면 둘 다 영원히 멈춥니다. 막는 방법은 단순합니다.

• 여러 뮤텍스가 필요하면 모든 태스크가 같은 순서로 잡습니다.
• 잠근 채로 다른 잠금을 기다리는 구간을 만들지 않습니다.
• 잠금 구간 안에서 지연 함수나 통신 대기를 하지 않습니다.

현업에서 자주 터지는 문제

• 뮤텍스 대신 이진 세마포어로 자원을 보호해 우선순위 역전이 발생
• 오류 경로에서 Give를 빠뜨려 다음부터 아무도 못 들어감
• 인터럽트와 태스크가 공유하는 자원을 뮤텍스로 보호하려 함(ISR에서는 뮤텍스를 쓸 수 없으므로 임계 구역이나 큐를 사용)