[CS] 공유 자원과 임계영역

❗️공유 자원

공유 자원은 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수 등을 의미한다.

이 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태라고 한다. 동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이 결과값에 영향을 줄 수 있다.

❗️임계 영역

공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 영역을 임계 영역이라고 한다.

임계 영역을 해결하기 위한 방법은 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세 가지가 있으며, 이 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이란 조건을 만족한다.

이 방법에 토대가 되는 매커니즘은 잠금(lock)이다. 예를 들어 임계 구역을 화장실이라고 가정하면 화장실에 A라는 사람이 들어간 다음 문을 잠근다. 그리고 다음 사람이 이를 기다리다 A가 나오면 화장실을 쓸 수 있는 것이다.

💡 상호배제
한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없다.

💡 한정 대기
특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안된다.

💡 융통성
한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해해서는 안된다.

• 뮤텍스
  

  뮤텍스는 공유 자원을 사용하기 전에 설정하고 사용한 후에는 해제하는 잠금이다. 잠금이 설정되면 다른 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없다. 또한 뮤텍스는 하나의 상태만 가진다.

• 세마포어
  

  세마포어는 일반화된 뮤텍스이다. 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait, signal로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다.

  wait() 은 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수고, signal()은 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수이다.

  • 바이너리 세마포어
    0과 1의 두가지 값만 가질 수 있는 세마포어이다. 구현의 유사성으로 인해 뮤텍스는 바이너리 세마포어라고 할 수 있다. 하지만 뮤텍스는 리소스에 대한 접근을 동기화하는데 사용되는 잠금 매커니즘이고, 세마포어는 신호를 기반으로 상호 배제가 일어나는 신호 매커니즘이다.

    예를 들어서 휴대폰에서 노래를 듣다가 친구로부터 전화가 오면 노래가 중지되고 통화 처리 작업에 관한 인터페이스가 등장하는 경우가 바이너리 세마포어에 해당한다.

  • 카운팅 세마포어
    여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어이며, 여러 자원에 대한 접근을 제어하는데 사용된다.

• 모니터
  둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공한다.

  모니터큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리한다.

  모니터는 세마포어보다 구현하기 쉬우며 모니터에서의 상호 배제는 자동인 반면에, 세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야하는 차이점이 있다.