[CS] 혼공컴운 Chapter 12. 프로세스 동기화

12-1 동기화란

동기화의 의미

• 동시다발적으로 실행되는 많은 프로세스는 서로 데이터를 주고 받으며 협력하며 실행될 수 있다.
• 아무렇게나 마구 동시에 실행해서는 안되기 때문에(경쟁 상태: race condition) 프로세스(스레드) 동기화가 필수.
• 실행 순서 제어를 위한 동기화는 프로세스를 올바른 순서대로 실행한다.
• 상호 배제를 위한 동기화는 동시에 접근해서는 안 되는 자원에 하나의 프로세스만 접근하게 한다.

 

생산자와 소비자 문제

• 공유 버퍼를 사이에 두고, 생산자와 소비자간 공유 버퍼를 문제없이 사용하도록 동기화시키는 문제.
• 생산자가 데이터를 생성하면 소비자는 그것을 소비하는 형태에서 발생하는 형식.
  • 공유 버퍼에 상호 배제 해결.
  • 비어 있는 공유 버퍼를 소비자가 읽으면 안됨.
  • 꽉 찬 공유 버퍼에 생산자가 더 이상 데이터를 입력하면 안됨.
• 해결책: 읽기용 세마포어와 쓰기용 세마포어를 구분지어 문제를 해결할 수 있다.

 

공유 자원과 임계 구역

• 공유 자원(shared resource)은 시스템 안에서 각 프로세스(스레드)가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수 등을 말한다.
  • 이 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태(race condition)이라 한다.
  • 동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이 결과값에 영향을 줄 수 있는 상태.
• 임계 구역(critical section)은 둘 이상의 프로세스(스레드)가 동시에 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말한다.
  • 임계 구역 해결의 3가지 원칙
    • 상호 배제(mutual exclusion): 한 프로세스가 임계 구역에 들어가면 다른 프로세스는 임계 구역에 들어갈 수 없다.
    • 한정 대기(bounded waiting): 어떤 프로세스도 무한대기(infinite postpone)하지 않아야 한다. 
    • 진행의 융통성(progress flexibility): 한 프로세스가 다른 프로세스의 진행을 방해해서는 안된다.
  • 이를 해결하기 위한 동기화 기법으로 뮤텍스 락, 세마포어, 모니터 크게 3가지가 있다.

 

12-2 동기화 기법

뮤텍스 락(Mutex Lock)

• 동시에 접근해서는 안 되는 자원에 동시에 접근하지 않도록 만드는 자물쇠 기능을 하는 동기화 도구
  • 자물쇠 역할: 프로세스들이 공유하는 전역 변수 lock.
  • 임계 구역을 잠그는 역할: acquire 함수. 프로세스가 임계 구역에 진입하기 전에 호출.
  • 임계 구역의 잠금을 해제하는 역할: release 함수. 임계 구역에서의 작업이 끝나고 호출
• 프로세스는 락을 획득할 수 없다면(임계 구역에 진입할 수 없다면) 무작정 기다리고,
• 락을 획득할 수 있다면(임계 구역에 진입할 수 있다면) 임계 구역을 잠근 뒤 임계 구역에서의 작업을 진행하고,
• 임계 구역에서 빠져나올 때엔 다시 임계 구역의 잠금을 해제함으로써 임계 구역을 보호.

acquire() {
	while(lock == true)	/* 만약 임계 구역이 잠겨 있다면 */
    	;			/* 임계 구역이 잠겨 있는지를 반복적으로 확인 */
    	lock == true;		/* 만약 임계 구역이 잠겨 있지 않다면 임계 구역 잠금 */
}

release() {
	lock = false;		/* 임계 구역 작업이 끝났으니 잠금 해제 */
}

acquire();			/* 자물쇠 잠겨 있는지 확인, 잠겨 있지 않다면 잠그고 들어가기 */
// 임계 구역			/* 임계 구역에서의 작업 실행 */
release();			/* 자물쇠 반환 */

 

세마포어(Semaphore)

• 일반화 된 방식의 뮤텍스 락.
  • 임계 구역에 진입할 수 있는 프로세스의 개수(사용가능한 공유 자원의 개수)를 나타내는 전역변수 S
  • 임계 구역에 들어가도 좋은지, 기다려야 할지를 알려주는 wait 함수(P함수)
  • 임계 구역 앞에서 기다리는 프로세스에 순서를 넘겨주는 signal 함수(V함수)
• 뮤텍스 락은 사용할 수 있는 공유 자원이 없는 경우, 프로세스는 무한히 반복하여 S를 확인해야 하기 때문에 이를 세마포어로 해결.
• wait 함수는 만일 사용할 수 있는 자원이 없을 경우 해당 프로세스 상태을 대기 상태로 만들고, 그 프로세스의 PCB를 세마포어를 위한 대기 큐에 넣는다.
• 다른 프로세스가 임계 구역에서의 작업이 끝나고 signal 함수를 호출하면 signal 함수는 대기 중인 프로세스를 대기 큐에서 제거하고, 프로세스 상태를 준비 상태로 변경한 뒤 준비 큐로 옮김.

wait() {
    S--;
    if ( S < 0 ) {
 	add this process to Queue;	/* 해당 프로세스 PCB를 대기 큐에 삽입한다. */
    	sleep();			/* 대기 상태로 접어든다. */
    }
}

signal() {
    S++;
    if ( S <= 0 ) {
    	remove a process p from Queue;	/* 대기 큐에 있는 프로세스 p를 제거한다. */
        wakeup(p);			/* 프로세스 p를 대기 상태에서 준비 상태로 만든다. */
    }
}

 

모니터(Monitor)

• 둘 이상의 프로세스(스레드)가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공.
  • 세마포어는 매번 임계 구역 앞뒤로 상호 배제(wait, signal)를 명시해야 하기 때문에 모니터를 이용해 더 편리하게 구현 가능.
  • 실행 순서 제어를 위한 동기화를 위해 특정 조건을 바탕으로 모니터는 조건 변수(condition variable)을 사용한다.
• 모니터는 공유 자원을 다루는 인터페이스에 접근하기 위한 큐를 만들고, 모니터 안에 항상 하나의 프로세스만 들어오도록 하여 상호배제를 위한 동기화를 제공.