[OS] 프로세스 동기화: 임계 구역 문제와 해결 방안

1. 동기화의 필요성

경쟁 조건 (Race Condition)

여러 프로세스나 스레드가 동시에 동일한 데이터를 조작할 때, 접근 순서나 타이밍에 따라 결과가 달라지는 상황을 말한다.
데이터의 일관성을 유지하기 위해 프로세스 간의 동기화가 필수적이다.

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2. 임계 구역 (Critical Section)

임계 구역이란 공유 데이터의 일관성을 보장하기 위해 단 하나의 프로세스/스레드만 진입하여 실행 가능한 코드 영역을 의미한다.

특징 및 구조

• 상호 배제: 한 프로세스가 임계 구역을 실행 중이면 다른 프로세스는 진입할 수 없다.

• 구성 요소:

1. 진입 구역 (Entry Section): 임계 구역 진입 허가를 요청하는 부분.

2. 임계 구역 (Critical Section): 공유 데이터를 조작하는 코드.

3. 퇴출 구역 (Exit Section): 임계 구역을 빠져나왔음을 알리는 부분.

4. 나머지 구역 (Remainder Section): 그 외의 코드 영역.

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3. 임계 구역 문제 해결을 위한 3가지 조건

임계 구역 문제를 해결하는 프로토콜은 반드시 다음 조건을 만족해야 한다.

1. 상호 배제 (Mutual Exclusion): P1이 임계 구역에서 실행 중이면 다른 프로세스는 진입할 수 없다.

2. 진행 (Progress): 임계 구역에 있는 프로세스가 없고 진입하려는 프로세스들이 있다면, 나머지 구역에서 실행 중이지 않은 프로세스들만 다음에 누가 들어갈지 결정할 수 있으며, 이 결정은 무한정 연기될 수 없다.

3. 한정된 대기 (Bounded Waiting): 프로세스가 진입 요청을 한 후부터 허용될 때까지 다른 프로세스들이 진입하는 횟수에 제한이 있어야 한다. (기아 상태 방지)

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4. 운영체제의 접근법

커널 코드 내에서도 경쟁 조건이 발생할 수 있으며, 이를 다루는 두 가지 방식이 존재한다.

구분	선점형 커널	비선점형 커널
특징	커널 모드 수행 중에도 CPU를 뺏길 수 있음	프로세스가 스스로 반납하거나 대기전까지 독점
장점	응답성이 좋아 실시간(Real time) 시스템에 적합하다.	설계까 단순하고 경쟁 조건 위험이 적다.
단점	설계까 복잡하고 동기화 메커니즘이 필수적이다.	응답성이 떨어질 수 있다.

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5. 피터슨의 해결안 (Peterson's Solution)

두 개의 프로세스(P(i), P(j))가 있을 때 사용 가능한 고전적인 소프트웨어 기반 해결책이다.

공유 변수

int turn;		// 누가 들어갈 차례인가?
bool flag[2];	// 들어갈 준비가 되었는가?

코드 구조 (P(i) 기준)

do {
   flag[i] = true;           // 들어가고 싶어!
   turn = j;                 // 하지만 상대방(j)에게 먼저 양보할게.
   while (flag[j] && turn == j); // 상대가 준비됐고 상대 차례라면 기다림

   /* CRITICAL SECTION */

   flag[i] = false;          // 완료 후 깃발 내림

   /* REMAINDER SECTION */
} while (true);

참고: 현대 CPU는 성능 향상을 위해 명령어 순서를 변경할 수 있어, 소프트웨어 만으로는 완벽한 동작 보장이 어렵다.

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6. 동기화 도구들

1. 스핀락 (spinlock)

임계 구역에 진입할 수 있을 때까지 무한 루프를 돌며 기다리는 방식(Busy Waiting)이다.

• 장점 : 컨텍스트 스위칭 비용이 들지 않아 임계 구역이 짧을 때 효율적이다.
• 단점 : 대기 시간이 길어지면 CPU 자원이 낭비된다.
• 특징 : 멀티 프로세서 시스템에서 주로 사용한다.

2. 뮤텍스 (mutex)

Locking 메커니즘을 사용해 자원을 점유한다.

• lock을 획득한 스레드만이 임계 구역을 나갈 때 unlock 할 수 있다.
• 스핀락과 달리 Sleep 상태로 진입해 CPU를 양보하는 방식(Sleep lock)을 주로 사용한다.

3. 세마포어(Semaphore)

정수 값을 사용하여 여러 스레드 간의 공유르를 관리하는 Signaling 메커니즘이다.

• 이진 세마포어 : 0과 1만 가짐. 뮤텍스와 유사하게 동작한다.
• 개수 세마포어 : 가용 자원의 개수로 초기화하며, 여러 개의 리소스를 관리할 때 사용한다.

세마포어 구현 방식 비교

1. Busy-waiting : while 문으로 계속 체크 (스핀락 방식)
2. block-wakeup : 자원이 없으면 프로세스를 대기 큐에 넣고 sleep시킨 뒤, 자원이 생기면 커널이 깨워주는 방식이다.

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7. 뮤텍스 vs 세마포어

비교 항목	뮤텍스 (Mutex)	세마포어 (Semaphore)
메커니즘	Locking (잠금)	Signaling (신호)
소유권	락을 건 사람만 해제 가능	누구나 Signal을 보내 해제 가능하다.
자원 수	단일 자원(1개)	1개 이상 (Counting 가능)
용도	상호 배제 위주	상호 배제 + 실행 순서 제어(동기화)