프로세스 동기화

도서 쉽게 배우는 운영체제와 강의 운영체제-반효경 를 보고 정리한 글입니다.

 

📌 Race Condition

2개 이상의 프로세스사 공유 자원을 읽거나 쓰는 상황을 Race Condition 이라고 한다.

 

Race Condition이 발생하면 공유 자원 접근 순서에 따라 실행 결과가 달라질 수 있기 때문에 발생하지 않도록 해야한다.

 

kernel 수행 중 인터럽트 발생 시

 

커널 모드로 count를 증가시키고 있던 와중에 인터럽트가 들어오면 인터럽트 처리 루틴으로 들어간다.

 

인터럽트 작업이 커널모드로 수행하던 count를 감소시키는 작업을 진행했다.

 

다시 커널모드로 돌아와서 작업을 수행할때에는, 인터럽트의 작업이 반영된 count가 아닌

 

이전에 진행중이었던 작업을 이어서 수행하기 때문에, 인터럽트가 했던 작업의 결과는 반영되지 않는다.

 

💡 따라서, 커널모드로 수행 중일때는 인터럽트가 들어오지 못하게 막음으로서 해결할 수 있다.

 

kernel mode 수행 중 문맥교환이 일어나는 경우

위 상황의 경우, 프로세스 A가 시스템 콜로 count를 증가시키는 작업을 하다가

 

문맥교환이 일어나서 프로세스 B로 CPU가 넘어갔다.

 

근데, 프로세스 B도 시스템콜로 count 를 증가시키는 작업을 완료했다.

 

다시, 프로세스 A로 넘어왔는데, B가 반영시킨 count 값이 아닌 이전에 진행 중이었던 count값을 불러와 연산을 다시 수행하기 때문에 두 작업이 반영된 결과가 나타나지 않게 된다.

 

💡 따라서, 이런 문제를 해결하기 위한 방법 중 하나는 커널 모드로 동작할 시 CPU를 넘겨주지 않게 함으로서 해결할 수 있다.

 

CPU가 여러개인 환경일 때

CPU가 여러개인 환경에서는 인터럽트를 막는 것으로 해결되지 않는다.

 

왜냐하면, 하나의 CPU의 인터럽트를 막더라도 다른 CPU에서 접근할 수 있기 때문이다.

 

💡 따라서, 한번에 하나의 CPU만이 커널에 들어갈 수 있도록 하는 해결책이 있지만 작업이 비효율적으로 처리될 수 있다.

 

혹은 커널 내부에 있는 공유 데이터를 접근할 시, 그 데이터에 lock을 걸어 다른 CPU가 접근할 수 없도록 막는 방법이 있다.

 

 

📌 공유자원 동기화 문제 해결 방법

lock 이라는 공유 변수가 있고, 임계 구역(공유 자원)에 진입할 때

 

lock 변수가 true이면 대기를 하고, false 인 경우만 진입할 수 있도록 한다.

 

진입 후에는 lock을 true 로 변경하여 다른 프로세스가 접근하지 못하도록 막고

 

임계 구역을 빠져나온 뒤, lock을 false로 변경하여 다른 프로세스도 접근할 수 있도록 한다.

 

이러한 방식 중 대표적인 것이 💡 세마포어이다.

 

세마포어

세마포어는 전역으로 공유되는 변수를 갖고,

 

일반적으로, 임계 구역에 진입할 수 있는 프로세스의 수를 값으로 둔다.

 

 

그리고, 프로세스가 임계구역에 진입할 때마다 공유 변수가 0보다 큰 상황인지 체크하고

 

전역 변수를 -1 함으로서 진입할 수 있는 프로세스의 수를 제한할 수 있다. (P(S))

 

임계구역을 빠져나올때, 전역 변수를 다시 +1 함으로서 다른 프로세스가 진입할 수 있도록 한다. (V(S))

 

🚨 하지만, 이 방식은 임계구역에 진입하려는 다른 프로세스가 while() 문을 계속해서 체크하는 바쁜 대기 상태가 발생하기 때문에 자원을 낭비할 수 있다. 

 

💡 그래서, block() & wake_up() 방식을 사용하면 이 문제를 해결할 수 있다.

 

임계구역에 진입하지 못하는 프로세스는 공유 변수를 음수값으로 만들고 block() 되어 대기 큐에 들어가 대기하게 된다.

 

작업을 마치고 임계구역을 빠져나오는 프로세스는 공유 변수를 +1 하고나서, 

 

공유 변수 값이 여전히 0 이하라면 block()된 프로세스가 대기 큐에 존재하고 있다는 의미이므로,

 

대기 큐에 있는 프로세스를 wake_up() 함으로서 임계구역으로 진입할 수 있게 한다.

 

 

일반적으로, 임계 구역에 진입하기 위한 공유 변수가 1로서, 한 개의 프로세스만 공유 변수에 접근할 수 있도록 하면 뮤텍스라 부르고

공유 변수 값이 2 이상으로, 2개 이상의 프로세스가 접근할 수 있으면 세마포어라고 부른다.

 

모니터

세마포어도 임계구역을 보호하는 좋은 방법이지만, 문제가 발생할 수 있다.

 

왼쪽의 경우, 세마포어를 획득하는 작업과 세마포어를 반환하는 작업이 반대로되어 임계구역을 보호할 수 없는 상황이고

 

오른쪽의 경우, 세마 포어를 반환하지 않아서 다른 프로세스들이 무한 대기하는 상황이 발생한다.

 

따라서, 직접 세마포어를 구현해 사용하는 경우 실수가 발생할 수 있기 때문에 제공하는 인터페이스가 모니터이다.

 

 

임계구역 보호가 필요한 데이터나 작업은 모니터에게 작업을 요청한다.

 

모니터는 요청받은 작업을 순서대로 처리한다.

 

순서대로 처리하기 때문에 임계구역을 보호할 수 있다.

 

또한, 세마포어와 비교했을 때 락을 걸지 않아도 되기 때문에 장점이 있다.