동시 다발적으로 실행되는 프로세스들은 서로 협력하며 영향을 주고받는다.
이 과정에서 자원의 일관성을 보장해야 한다. >> 즉, 프로세스들의 동기화를 고려해야 한다.
공동의 목적을 위해 동시에 수행되는 프로세스들은 아무렇게나 마구 실행해도 괜찮을까?
>> ㄴㄴ 올바른 수행을 위해 프로세스들은 동기화되어야 함.
프로세스의 동기화란?
프로세스들의 수행 시기를 맞추는 것
크게 두 가지를 의미
- 실행 순서 제어 : 프로세스를 올바른 순서대로 실행하기
- 상호 배제 : 동시에 접근해서는 안 되는 자원에 하나의 프로세스만 접근하게 하기
* 실행의 문맥을 갖는 모든 대상은 동기화 대상이기에 스레드도 동기화 대상.
| 실행 순서 제어를 위한 동기화 : reader writer problem | 상호배제를 위한 동기화 : Bank account problem , Producer & Consumer problem (레이스 컨디션(race condition)의 사례) |
| Writer: Book.txt 파일에 값을 저장하는 프로세스 Reader: Book.txt파일에 저장된 값을 읽어들이는 프로세스 ---------------------------------------------------------------------------- Reader와 Writer프로세스는 무작정 아무렇게나 실행되어선 안된다. 실행의 순서가 있기 때문 Reader 프로세스는 "Book.txt"안에 값이 존재한다"는 특정 조건이 만족되어야만 실행 가능 |
공유가 불가능한 자원의 동시 사용을 피하기 위한 동기화 == 한번에 하나의 프로세스만 접근해야 하는 자원에 동시 접근을 피하기 위한 동기화 --------------------------------------------------------------------------------------- 현재 계좌에 잔액 : 10만원 프로세스 A는 현재 잔액에 2만원을 추가하는 프로세스 프로세스 B는 현재 잔액에 5만원을 추가하는 프로세스 프로세스의 실행이 끝나고 다음 프로세스가 실행되어야 잔액의 오류가 없음. -------------------------------------------------------------------------------------- 물건을 계속해서 1씩 생산하는 생산자(producer, 프로세스 혹은 스레드) 물건을 계속해서 1씩 소비하는 소비자(consumer, 프로세스 혹은 스레드) "총합" 변수 공유, 이 상태에서 생산자를 100,000번, 소비자를 100,000번 실행했을때 총합은? 예상과 다르게 결과 값 나옴. >> 동기화가 되지 않았기 때문에 발생하는 문제. 동시에 접근해서는 안되는 자원(총합)에 동시에 접근해서 발생한 문제. |
공유 자원과 임계구역
공유자원 : 여러 프로세스 혹은 스레드가 공유하는 자원 (전역변수, 파일, 입출력장치, 보조기억장치 ...)
임계 구역 : 공유 자원에 접근하는 코드 중 동시에 실행하면 문제가 발생하는 코드 영역
임계 구역에 진입하고자 하면 진입한 프로세스 이외에는 대기해야 한다.
임계 구역에 동시에 접근하면 자원의 일관성이 깨질 수 있다. 이를 레이스 컨디션(race condition)이라 한다.
운영체제가 임계구역 문제를 해결하는 세 가지 원칙 (상호배제를 위한 동기화를 위한 세가지 원칙)
1. 상호 배제(mutual exclusion) :
한 프로세스가 임계 구역에 진입했다면 다른 프로세스는 들어올 수 없다.
2. 진행(progress) :
임계 구역에 어떤 프로세스도 진입하지 않았다면 진입하고자 하는 프로세스는 들어갈 수 있어야 한다.
3. 유한 대기(bounded waiting) :
한 프로세스가 임계 구역에 진입하고 싶다면 언젠가는 임계 구역에 들어올 수 있어야 한다.(임계 구역에 들어오기 위해 무한정 대기해서는 안된다.)
동기화 기법
| 뮤텍스 락 | 세마포 | 모니터 |
| - 상포 배제를 위한 동기화 도구(탈의실에 있는 자물쇠 역할(사람이 들어있는지 안들어있는지 확인 가능한 역할) - 탈의실 : 임계구역, 손님 : 프로세스) - 공유자원이 only 하나일 때 적용 가능 |
- 좀 더 일반화된 방식의 동기화 도구 - 공유 자원이 여러개 있는 경우에도 적용 가능. - 임계 구역 앞에서 멈춤 신호를 받으면 잠시 기다리기. 임계 구역앞에서 가도 좋다는 신호를 받으면 임계구역 진입. |
- 사용자(개발자)가 다루기에 편한 동기화 도구 |
| 뮤텍스 락의 단순한 형태 : 전역변수 하나, 함수 두개 ----------------------------------------------------- - 자물쇠 역할 : 프로세스들이 공유하는 전역변수 lock - 임계 구역을 잠그는 역할 : acquire 함수 - 임계 구역의 잠금을 해제하는 역할 : release함수 |
세마포의 단순한 형태 : 전역변수 하나, 함수 두개 ----------------------------------------------------- - 임계 구역에 진입할 수도 있는 프로세스의 개수(사용 가눙한 공유 자원의 개수)를 나타내는 전역 변수 s - 임계구역에 들어가도 좋을지, 기다려야 할지를 알려주는 wait함수 - 임계구역 앞에서 기다리는 프로세스에 "이제 가도 좋다"고 신호를 주는 signal함수 |
- 모니터 안에는 하나의 프로세스만이 있을 수 있다. > wait()를 호출했던 프로세스는 signal()을 호출한 프로세스가 모니터를 떠난 뒤에 수행을 재개. > signal()을 호출한 프로세스의 실행을 일시 중단하고 자신이 실행된 뒤 다시 signal()을 호출한 프로세스의 수행을 재개. |
| ex> acquire(); //자물쇠 잠겨있는지 확인, 잠겨있지 않다면 잠그고 들어가기 //임계 구역 //임계구역에서의 작업 진행 //여기서 위의 예시 중 총합 변수 접근 release(); //자물쇠 반환 ----------------------------------------------------- acquire 함수 : 프로세스가 임계 구역에 진입하기 전에 호출. 임계 구역이 잠겨있다면 임계구역이 열릴때까지(lock == false) 임계구역을 반복적으로 확인. 임계구역이 열려있다면 임계구역을 잠그기(lock = true) release함수 : 임계구역에서의 작업이 끝나고 호출. 현재 잠긴 임계구역을 열기(lock을 false로 바꾸기) ----------------------------------------------------- * 예시 코드 acquire() { while(lock == true) //만약 임계구역이 잠겨잇다면 ; //임계구역이 잠겨있는지를 반복적으로 확인. lock = true ; //만약임계구역이 잠겨있지 않다면 임계구역 잠금 } release() { lock = false; //임계구역 작업이 끝났으니 잠금 해제 } ----------------------------------------------------- |
ex> wait(); //임계구역 signal(); 임계구역 앞뒤로 함수 호출. ----------------------------------------------------- wait() { while( S <=0) // 만일 임계구역에 진입할 수 있는 프로세스 개수가 0이하라면 ; // 사용할 수 있는 자원이 있는지 반복적으로 확인하고 S--; // 임계 구역에 진입할 수 있는 프로세스 개수가 하나 이상이면 S를 1감소 시키고 임계구역에 진입. signal() { S++; // 임계 구역에서의 작업을 마친 뒤 S를 1 증가시킴. ----------------------------------------------------- 세마포를 활용한 실행 순서 동기화 - 세마포의 변수 S를 0으로 두고, 먼저 실행할 프로세스 뒤에 signal함수. 다음에 실행할 프로세스 앞에 wait함수를 붙이면됨. |
- 상호배제를 위한 동기화 : >인터페이스를 위한 큐. >공유자원에 접근하고자 하는 프로세스를(인터페이스를 위한) 큐에 삽입. >큐에 삽입된 순서대로(한번에 하나의 프로세스만) 공유 자원 이용 가능. - 실행 순서 제어를 위한 동기화 : > 조건 변수 이용(프로세스나 스레드의 실행 순서를 제어하기 위해 사용하는 특별한 변수) 조건 변수. wait() : 대기 상태로 변경, 조건 변수에 대한 큐에 삽입 조건 변수. signal() : wailt()으로 대기 상태로 접어든 조건 변수를 실행 상태로 변경 1. 특정 프로세스가 아직 실행될 조건이 되지 않았을 때에는 wait를 통해 실행을 중단한다. 2. 특정 프로세스가 실행될 조건이 충족되었을 때에는 signal을 통해 실행을 재개한다. |
| - 코드 while() //만약 임계구역이 잠겨잇다면 ; //임계구역이 잠겨있는지를 반복적으로 확인. 부분을 바쁜 대기(busy waiting)라 부름 >>임계 구역에 진입할 수 있는지를 반복적으로 확인하는 것은 CPU사이클 낭비! --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 해결 방법 - 사용할 수 있는 자원이 없을 경우 대기 상태로 만듦 (해당 프로세스의 PCB를 대기 큐에 삽입) - 사용할 수 있는 자원이 생겼을 경우 대기 큐의 프로세스를 준비 상태로 만듦. (해당 프로세스의 PCB를 대기 큐에서 꺼내 준비 큐에 삽입) |
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