CH12. 프로세스 동기화

동기화, 공유 자원, 임계 구역

• 동기화(synchronization) : 작업들 사이의 수행 시기를 맞추는 것
• 프로세스 동기화 : 프로세스들이 순서대로 실행되고 상호 배제를 이루도록 수행 시기를 맞추는 것
  • 실행 순서 제어를 위한 동기화 : P1에 의존하는 P2는 항상 P1보다 뒤에 실행
  • 상호 배제를 위한 동기화 : P1이 자원을 사용중일 때 P2를 대기시킴
• 공유 자원(shared resource) : 프로세스들이 공동으로 사용하는 자원 (e.g. 전역 변수, 파일, 입출력장치, 보조기억장치)
• 임계 구역(critical section) : 동시에 실행하면 문제가 발생하는 공유 자원에 접근하는 코드 영역
• 레이스 컨디션(race condition) : 여러 프로세스가 임계 구역 코드를 동시에 실행하여 문제가 발생하는 것 (데이터 일관성이 깨지는 것)
  • 레이스 컨디션이 발생하지 않도록, 운영체제는 상호 배제를 위한 동기화 수행
• 상호 배제를 위한 동기화를 위한 3가지 원칙
  1. 상호 배제(mutual exclusion) : 한 프로세스가 임계 구역에 진입했을 때 다른 프로세스는 진입 불가해야 한다.
  2. 진행(progress) : 임계 구역에 어떤 프로세스도 진입하지 않았다면 다른 프로세스가 진입 가능해야 한다.
  3. 유한 대기(bounded waiting) : 한 프로세스가 임계 구역에 진입하고 싶다면 그 프로세스는 언젠가는 반드시 진입할 수 있어야 한다. (무한 대기 X)
• 상호 배제를 위한 동기화 과정
  1. 프로세스 A가 임계 구역에 진입
  2. 프로세스 A가 임계 구역에서 작업 중, 프로세스 B가 임계 구역 진입 시도
  3. 프로세스 A의 작업이 끝날 때까지 프로세스 B는 대기 → 상호 배제
  4. 프로세스 A 작업이 끝나고 임계 구역에서 나오면, 프로세스 B가 임계 구역 진입
  5. 프로세스 B의 작업이 끝나고 임계 구역에서 나옴

동기화 기법

뮤텍스 락(Mutex lock; MUTual Exclusion lock)

• 상호 배제를 구현하는 도구

• 전역 변수 lock을 사용해서 둘 이상의 프로세스가 임계 구역에 동시에 접근할 수 없도록 구현

• acquire() 함수를 임계 구역 진입 전에 호출하여 임계 구역 잠금 (lock을 true로 변경)

• release() 함수를 임계 구역 작업이 끝난 뒤 호출하여 임계 구역 잠금 해제 (lock을 false로 변경)

• 프로세스는 lock이 true인 경우 임계 구역 잠금이 해제될 때까지 반복해서 확인하고, lock이 false가 되는 순간 acquire()를 호출하며 임계 구역 진입

  acquire() {
  	while (lock == true) // 1. 임계 구역이 잠긴 경우
  		;                  // 2. 열릴 때까지 반복해서 확인하고
  		                         (바쁜 대기)
  	lock = true;         // 3. 열리면 임계 구역에 진입하며 잠금
  }
  
  release() {
  	lock = false;        // 4. 작업이 끝난 뒤 잠금 해제
  }
  

  • 바쁜 대기(busy wait) : 임계 구역이 잠겨있는지 반복적으로 확인하며 대기하는 방식

세마포(semaphore)

• 여러 개의 공유 자원에 대한 상호 배제를 구현하는 도구

• 종류

  • 이진 세마포(binary semaphore) : 뮤텍스 락과 비슷
  • 카운팅 세마포(counting semaphore) : 임계 구역에 진입할 수 있는 프로세스 개수(사용할 수 있는 자원의 개수)를 사용하는 방식

• **대기 신호(wait)**와 **진입 신호(signal)**를 사용해서 임계 구역 관리

  wait() {
  	while ( S <= 0 ) // 1. 진입 가능한 프로세스가 0개 이하라면
  		;              // 2. 바쁜 대기하고
  	S--;             // 3. 진입 가능 개수가 확보되면
  	                       S를 감소시키며 임계 구역 진입
  }
  
  signal() {
  	S++;             // 4. 작업이 끝난 뒤 S를 1 증가시키며
  	                       다음 작업이 진입할 수 있게 함
  }
  

  • 전역 변수 S를 사용해서 임계 구역에 진입 가능한 프로세스 개수 관리
  • wait() 함수를 임계 구역에 진입할 때 호출
    • S가 0 이하라면 진입 가능한 프로세스가 없으므로 바쁜 대기 실행
    • S가 0보다 커지면 S를 1 감소시키며 임계 구역 진입
  • signal() 함수를 임계 구역 작업이 끝난 뒤 호출
    • S를 1 증가시키며 다른 프로세스가 진입할 수 있도록 함