📑 본 글은 <혼공컴운>을 읽고 정리한 글입니다.
1. 동기화란
1-1. 동기화의 의미
동기화
- 실행 순서 제어 : 프로세스를 올바른 순서로 실행한다.
- 상호 배제(Mutual Exclusion): 동시에 접근하면 안 되는 자원에 하나의 프로세스만 접근하게 한다.
1-2. 생산자와 소비자 문제
상호 배제를 위한 동기화 관련 고전 문제
생산자 프로세스 → ‘총합’ 변수 +1
소비자 프로세스 → ‘총합’ 변수 -1
함께 사용하는 총합이라는 데이터를 동시에 사용하는데 소비자가 생산자 작업이 끝나기 전에 총합을 수정함.
→ 프로세스와 소비자 프로세스가 제대로 동기화되지 않았기 때문이다.
→ 동시에 접근해서는 안 되는 자원에 동시에 접근했기 때문이다.
1-3. 공유 자원과 임계 구역
공유 자원(shared resource)
- 동시에 실행되는 프로세스들이 함께 사용할 수 있는 자원
- 전역 변수, 파일, 입출력장치, 보조기억장치 등
- 이들 중 동시에 접근해서는 안 되는 자원이 있을 수 있음
임계 구역(critical section)
- 동시에 실행하면 문제가 발생하는 자원에 접근하려는 코드 영역
- 하나가 들어가면 나머지는 기다린다. 걔가 끝나면 다른 애 하나가 들어간다.
레이스 컨디션(race condition)
- 여러 프로세스가 동시 다발적으로 임계 구역의 코드를 실행하여 문제가 발생하는 경우
- 데이터의 일관성이 깨질 수 있다. (like 생상자와 소비자 문제)
- 저급 언어를 실행하는 과정에서 Context switching이 일어나기 때문에 발생한다.
🔑 상호 배제를 위한 동기화
→ 두 개 이상의 프로세스가 임계 구역에 동시에 접근하지 못하도록 관리하는 것
3원칙
- 상호 배제(mutual exclusion) : 하나만 임계 구역에 들어갈 수 있다.
- 진행(progress) : 임계구역에 아무도 없으면 들어갈 수 있다.
- 유한 대기(bounded waiting) : 임계 구역에 들어오기 위해 무한정 대기해서는 안 된다.
2. 동기화 기법
2-1. 뮤텍스 락
뮤텍스 락(MUTEX Lock: Mutual Exclusion Lock)
- 화장실 자물쇠 역할 : 프로세스들이 공유하는 전역 변수 lock
- 임계 구역을 잠그는 역할 :
acquire함수 - 임계 구역의 잠금을 해제하는 역할 :
release함수
acquire() {
while (lock == true) // 임계 구역이 잠겨있으면
; // 잠겨있는지 반복적으로 확인 -> Busy wait
lock = true;
}
release() {
lock = false;
}Busy Wait : 임계 구역이 잠겨 있을 경우 프로세스는 반복적으로 lock을 확인한다.
2-2. 세마포
세마포(Semaphore)
- 뮤텍스 락 + 공유 자원이 여러 개 있는 상황
- 전역 변수 S : 임계 구역에 들어갈 수 있는 프로세스의 개수(사용 가능한 자원의 개수)
- wait(P) 함수 : 임계 구역에 들어가도 됨?
- 사용할 수 있는 자원이 없으면, 그 프로세스의 PCB를 세마포를 위한 대기 큐에 집어넣는다.
- 프로세스를
대기상태로 만든다.
- signal(V) 함수 : 임계 구역 앞에서 기다리는 프로세스에게 고고 신호를 준다.
- 대기 중인 프로세스를 대기 큐에서 제거, 프로세스 상태를
준비 상태로 변경,준비 큐로옮겨준다.
- 대기 중인 프로세스를 대기 큐에서 제거, 프로세스 상태를
wait() {
S--; // 명부 적고 감요
if (S < 0) // 사용할 수 있는 자원이 없으면
add this process to Queue; // 프로세스의 PCB를 세마포를 위한 대기 큐에 집어넣는다.
sleep(); // 프로세스 -> 대기 상태로
}
signal() {
S++; // 자원 반납합니다요
if (S <= 0) // 쓰고 싶은 사람이 있네
remove process p from Queue; // 대기 중인 프로세스를 대기 큐에서 제거
wakeup(p); // 프로세스 -> 준비 상태로
}Semaphore for 실행 순서 제어를 위한 동기화
- S = 0 세팅
- 먼저 실행할 프로세스 뒤에 signal()
- 나중에 실행할 프로세스 앞에 wait()
2-3. 모니터
모니터(Monitor)
- 세마포처럼 직접 코드를 작성하지 않아도 되게 만든 동기화 도구
- 공유 자원과 공유 자원에 접근하기 위한 인터페이스를 묶어서 관리한다.
- 프로세스는 반드시 인터페이스를 통해서만 공유 자원에 접근할 수 있다.
- 공유 자원을 다루는 인터페이스에 접근하기 위한 큐(모니터에 진입하기 위한 큐)를 만든다.
- 모니터 안에는 항상 하나의 프로세스만 들어오도록 한다.
Monitor for 실행 순서 제어를 위한 동기화
아래의 개념은 모니터의 개념 혹은 모니터에 진입하기 위해 삽입되는 큐와는 다른 것이다.
조건 변수사용: 프로세스나 스레드의 실행 순서를 제어하기 위해 사용wait(): 호출한 프로세스의 상태 → 대기, 조건 변수에 대한 큐에 삽입한다.signal(): wait을 호출해서 큐에 들어간 프로세스의 실행을 재개한다.
