[운영체제] Synchronization Tools(공룡책 스터디 정리)

본 포스팅은 인프런 공룡책 강의를 기반으로 한 스터디 개인 정리를 위한 포스팅입니다.
잘못된 부분이 있다면 언제든 지적해주시면 감사하겠습니다!

1. 프로세스 동기화

동시다발적으로 실행되는 프로세스와 쓰레드들은 서로 협력하면서 영향을 주고받게 되는데

이 과정에서 자원의 일관성을 보장해야 함.

 

프로세스 동기화란 ?

실행순서 제어 : 프로세스를 올바른 순서대로 실행하기

• 글 쓰는 프로세스가 먼저 실행된 후 읽는 프로세스가 실행되어야 정상적으로 데이터가 넘어가기 때문.

상호 배제 : 동시에 접근해서는 안 되는 자원에 하나의 프로세스만 접근하게 하기

• Bank account problem
• 프린터처럼 한 번에 하나의 프로세스만 접근해야 하는 자원

Producer & Consumer Problem

 

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공유 자원과 임계 구역

공유 자원

여러 프로세스 혹은 스레드가 공유하는 자원

• 전역 변수, 파일, 입출력장치, 보조기억장치 등

임계 구역

동시에 실행하면 문제가 발생하는 자원에 접근하는 코드 영역

 

임계 구역에 동시에 접근하면 자원의 일관성이 깨질 수 있다.

⇒ 이를 레이스 컨디션(race condition)이라 한다.

Solution.

임계 구역에 진입하고자 하면 진입한 프로세스 이외에는 대기해야 한다.

운영체제가 임계구역 문제를 해결하는 세 가지 원칙

• 상호 배제를 위한 동기화를 위한 세 가지 원칙
  1. 상호 배제
     • 한 프로세스가 임계 구역에 진입했다면 다른 프로세스는 들어올 수 없다.
  2. 진행
     • 임계 구역에 어떤 프로세스도 진입하지 않았다면 진입하고자 하는 프로세스는 들어갈 수 있어야 한다.
  3. 유한 대기
     • 한 프로세스가 임계 구역에 진입하고 싶다면 언젠가는 임계 구역에 들어올 수 있어야 한다. (임계 구역에 들어오기 위해 무한정 대기해서는 안 된다.)

 

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2. 동기화 기법 및 도구

대중적인 세 가지 기법

1. 뮤텍스 락

2. 세마포어

3. 모니터

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뮤텍스 락(Mutex Lock)

상호 배제를 위한 동기화 도구(탈의실의 자물쇠 역할)

뮤텍스 락의 단순한 형태

전역 변수 하나, 함수 두 개

- 자물쇠 역할 : 프로세스들이 공유하는 전역 변수 lock
- 임계 구역을 잠그는 역할 : acquire 함수
- 임계 구역의 잠금을 해제하는 역할 : release 함수

 

busy waiting : 무한히 반복하면서 임계 구역이 잠겨있는지 확인하는 행동.

 

 

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세마포어(Semaphore)

좀 더 일반화된 방식의 동기화 도구

공유 자원이 여러 개 있는 경우에도 적용 가능

이진 세마포어, 카운팅 세마포어 중 카운팅 세마포어에 대해서만.

 

임계 구역 앞에서 멈춤 신호를 받으면 잠시 기다리기

 

임계 구역 앞에서 가도 좋다는 신호를 받으면 임계 구역 진입

 

세마포어의 단순한 형태

전역 변수 하나, 함수 두 개

- 임계 구역에 진입할 수 있는 프로세스의 개수(사용 가능한 공유 자원의 개수)를 나타내는 전역 변수 S
- 임계구역에 들어가도 좋은지, 기다려야 할지를 알려주는 wait함수
- 임계구역 앞에서 기다리는 프로세스에 ‘이제 가도 좋다’고 신호를 주는 signal함수

 

wait함수

 

signal함수

 

세마포어 또한 S가 0일 시 Busy Waiting이 발생하여 CPU낭비가 발생할 수 있음.

• 사용할 수 있는 자원이 없을 경우(S == 0) 대기 상태로 만듦
  • 해당 프로세스의 PCB를 대기 큐에 삽입
• 사용할 수 있는 자원이 생겼을 경우 대기 큐의 프로세스를 준비 상태로 만듦
  • 해당 프로세스의 PCB를 대기 큐에서 꺼내 준비 큐에 삽

💡 세마포어를 활용한 **실행 순서 동기화**

- 세마포어의 변수 S를 0으로 두고,
- 먼저 실행할 프로세스 **뒤에 signal** 함수,
- 다음에 실행할 프로세스 **앞에 wait** 함수를 붙이면 됨.

 

단점

매번 임계구역 앞뒤로 wait(), signal()을 호출하다가 실수라도 한다면 굉장히 큰 문제를 발생할 수 있음.

사용자 입장에서 사용하기 번거로움

 

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모니터

세마포어의 단점을 위해 등장한 기법

사용자(개발자)가 다루기 편한 동기화 도구

1. 상호 배제를 위한 동기화

- 인터페이스를 위한 큐

- 공유자원에 접근하고자 하는 프로세스를 (인터페이스를 위한) 큐에 삽입

- 큐에 삽입된 순서대로 (한 번에 하나의 프로세스만) 공유 자원 이용

 

2. 실행 순서 제어를 위한 동기화

- 조건 변수 이용

- 프로세스나 스레드의 실행 순서를 제어하기 위해 사용하는 특별한 변수

- 조건변수.wait() : 대기 상태로 변경, 조건 변수에 대한 큐에 삽입

- 조건변수.signal() : wait()으로 대기 상태로 접어든 조건변수를 실행 상태로 변경

 

💡 모니터 안에는 하나의 프로세스만이 있을 수 있다

• wait()를 호출했던 프로세스는 signal()을 호출한 프로세스가 모니터를 떠난 뒤에 수행을 재개
• signal()을 호출한 프로세스의 실행을 일시 중단하고 자신이 실행한 뒤 다시 signal()을 호출한 프로세스의 수행을 재개 

핵심!

상호 배제를 위한 동기화뿐만 아니라 실행 순서 제어를 위 동기화까지 제공하는데

1. 특정 프로세스가 아직 실행될 조건이 되지 않았을 때에는 wait를 통해 실행을 중단

2. 특정 프로세스가 실행될 조건이 충족되었을 때에는 signal을 통해 실행을 재개