[CS] 동기화

목차

• 동기화
• 실행 순서 제어를 위한 동기화
• 상호 배제를 위한 동기화
• 공유 자원과 임계 구역
• 동기화 기법(뮤텍스 락, 세마포, 모니터)

 

동기화

동시다발적으로 실행되는 프로세스들은 서로 협력하며 영향을 주고받는다.

이 과정에서 자원의 일관성을 보장해야 한다. => 프로세스들의 동기화를 고려해야 한다.

 

동기화의 의미

공동의 목적을 위해 동시에 수행되는 프로세스(프로세스 + 스레드)

※ 이 글은 프로세스와 스레드를 구분하지 않고 합쳐 프로세스로 정의하겠습니다.

예시)

• 워드 프로세서 프로그램
  • 맞춤법 검사 프로세스
  • 입력 내용을 화면에 출력하는 프로세스
  • ... 여러 프로세스

 

Q. 프로세스 아무렇게나 마구 실행해도 괜찮을까?

A. NO!!! 올바른 수행을 위해 프로세스들은 동기화되어야 한다.(자원의 일관성 보장해줘야 함)

 

(프로세스) 동기화란?

프로세스들의 수행 시기를 맞추는 것

(실행의 문맥을 갖는 모든 대상은 동기화 대상이기에 스레드도 동기화 대상입니다.)

• 실행 순서 제어: 프로세스를 올바른 순서대로 실행하기
• 상호 배제: 동시에 접근해서는 안 되는 자원에 하나의 프로세스만 접근하게 하기

 

실행 순서 제어를 위한 동기화

 

실행 순서 제어를 위한 동기화: (reader writer problem)

• Writer: Book.txt 파일에 값을 저장하는 프로세스
• Reader: Boox.txt 파일에 저장된 값을 읽어들이는 프로세스

 

Reader와 Writer 프로세스는 무작정 아무렇게나 실행되어선 안된다.

실행의 순서가 있기 때문이다.

 

(Reader 프로세스는 'Book.txt 안에 값이 존재한다' 는 특정 조건이 만족되어야만 실행 가능)

 

정리

동시다발적으로 실행되는 두 개 이상의 프로세스가 있을 때 실행 순서를 동기화 해주는 것이

실행 순서 제어를 위한 동기화

 

 

 

상호 배제를 위한 동기화

상호 배제를 위한 동기화: Bank account Problem

• 공유가 불가능한 자원의 동시 사용을 피하기 위한 동기화
• 한번에 하나의 프로세스만 접근해야 하는 자원에 동시 접근을 피하기 위한 동기화

 

예시)

현재 계좌에 잔액: 10만원

• 프로세스 A는 현재 잔액에 2만원을 추가하는 프로세스
• 프로세스 B는 현재 잔액에 5만원을 추가하는 프로세스
• 동시에 실행한다고 가정

프로세스 A

1. 계좌의 잔액을 읽어 들인다.
2. 읽어 들인 잔액에 2만 원을 더한다.
3. 더한 값을 저장한다.

 

프로세스 B

1. 계좌의 잔액을 읽어 들인다.
2. 읽어 들인 잔액에 5만 원을 더한다.
3. 더한 값을 저장한다.

"프로세스 A, 프로세스 B를 동시에 실행한다면 당연히 17만원이 계좌에 남을까?"

 

현재 계좌에 잔액: 15만 원..

 

이유는 무엇일까?

"프로세스 A와 B는 잔액이라고 하는 데이터를 동시에 사용을 하는데 프로세스의 실행이 전부 다 끝나버리기도 전에

프로세스 B가 잔액이라고 하는 자원(데이터)에 접근했기 때문"

<= 한 프로세스가 잔액이라는 데이터에 접근할 때는 다른 프로세스는 잔액이라는 데이터에 접근하면 안됨

쉽게 말하면 동시에 접근해서는 안되는 "잔액"에 동시에 접근했기 때문!!!!!

 

 

 

동기화 예제

Product & Consumer problem

• 물건을 계속해서 생산하는 생산자(producer, 프로세스 혹은 스레드)
• 물건을 계속해서 소비하는 소비자(consumer, 프로세스 혹은 스레드)
• "총합" 변수 공유 가정

 

이 상태에서 무작정 동시에 생산자를 100,000번, 소비자를 100,000번 실행하면 '총합' 은?

=> 때로는 0과 다른 값이 되거나, 오류가 발생하기도 => 동기화가 되지 않았기 때문에 발생한 문제

=> 동시에 접근해서는 안되는 자원(총합)에 동시에 접근해서 발생한 문제

 

 

공유 자원과 임계 구역

 

공유 자원: 여러 프로세스 혹은 스레드가 공유하는 자원

• 전역 변수, 파일, 입출력장치, 보조기억장치, ... 

임계 구역: 동시에 실행하면 문제가 발생하는 자원에 접근하는 코드 영역

• 앞선 예시의 '총합' 변수, '잔액' 변수, ...

 

임계 구역에 진입하고자 하면 진입한 프로세스 이외에는 대기해야 한다.

 

 

임계 구역에 동시에 접근하려고 하면? => 당연히 문제가 생긴다.

• 임계 구역에 동시에 접근하면 자원의 일관성이 깨질 수 있다.
• 이를 레이스 컨디션(race condition) 이라고 한다.

개발자가 작성하는 소스코드(고급언어)는 한 줄일지 몰라도 컴퓨터 내부에서는 여러 줄이다.

 

 

운영체제가 임계구역 문제를 해결하는 세 가지 원칙

(상호 배제를 위한 동기화를 위한 세 가지 원칙)

 

상호 배제(mutual exclusion): 한 프로세스가 임계 구역에 진입했다면 다른 프로세스는 들어올 수 없다.

진행(progress): 임계 구역에 어떤 프로세스도 진입하지 않았다면 진입하고자 하는 프로세스는 들어갈 수 있어야 한다.

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

 

 

1. 뮤텍스 락

뮤텍스 락: 상호 배제를 위한 동기화 도구(자물쇠 역할) 

 

뮤텍스 락의 단순한 형태

• 전역 변수 하나, 함수 두개

 

• 자물쇠 역할: 프로세스들이 공유하는 전역 변수 lock
• 임계 구역을 잠그는 역할: acquire 함수
• 임계 구역의 잠금을 해제하는 역할: release 함수

 

 

acquire 함수

• 프로세스가 임계 구역에 진입하기 전에 호출
• 임계 구역이 잠겨 있다면
  • 임계 구역이 열릴 때까지(lock이 false가 될 때까지) 임계 구역을 반복적으로 확인
• 임계 구역이 열려 있다면
  • 임계 구역을 잠그기(lock을 true로 바꾸기)

 

release 함수

• 임계 구역에서의 작업이 끝나고 호출
• 현재 잠긴 임계 구역을 열기(lock을 false로 바꾸기)

 

 

바쁜 대기(busy waiting)

• 마치 탈의실 문이 잠겨 있는지 아닌지 쉴 새 없이 덜컥 덜컥 확인해보는 것과 같기 때문에 좋은 방식이 아니다.
• 반복적으로 무한히 대기하면서 임계구역이 열려 있는지 아닌지 확인해보는 방식을 바쁜 대기라고 부른다.

 

 

 

2. 세마포

• 좀 더 일반화된 방식의 동기화 도구
• 공유 자원이 여러 개 있는 경우에도 적용 가능
• 세마포의 종류(이진 세마포, 카운팅 세마포) 중 카운팅 세마포를 다룬다.

 

 

• 임계 구역 앞에서 멈춤 신호를 받으면 잠시 기다리기
• 임계 구역 앞에서 가도 좋다는 신호를 받으면 임계 구역 진입

 

 

세마포의 단순한 형태

• 전역 변수 하나, 함수 두개

 

• 임계 구역에 진입할 수 있는 프로세스의 개수(사용 가능한 공유 자원의 개수)를 나타내는 전역 변수 S
• 임계 구역에 들어가도 좋은지, 기다려야 할지를 알려주는 wait 함수
• 임계 구역 앞에서 기다리는 프로세스에 '이제 가도 좋다' 고 신호를 주는 signal 함수

 

 

세 개의 프로세스 P1, P2, P3가 두개의 공유 자원(S=2)에 P1, P2, P3 순서로 접근한다고 가정

 

 

세마포 방식에도 무한히 대기하면서 임계구역이 열려 있는지 아닌지 확인

(while(S <= 0) ;) 한다는 점에서  바쁜 대기(Busy waiting)이 적용되어 있다.

 

 

Busy waiting

마치 탈의실 문이 열렸는지/닫혔는지 반복적으로 확인하는 것과 같다.

=> CPU 사이클 낭비!

 

해결 방법

• 사용할 수 있는 자원이 없을 경우 대기 상태로 만듦
  • (해당 프로세스의 PCB를 대기 큐에 삽입)
  • 대기 상태이므로 CPU 사이클이 필요없다!
• 사용할 수 있는 자원이 생겼을 경우 대기 큐의 프로세스를 준비 상태로 만듦
  • (해당 프로세스의 PCB를 대기 큐에서 꺼내 준비 큐에 삽입)

 

 

세 개의 프로세스 P1, P2, P3가 두개의 공유 자원(S=2)에 P1, P2, P3 순서로 접근한다고 똑같이 가정

 

 

세마포를 활용한 실행 순서 동기화

세마포는 상호 배제를 위한 동기화 뿐만 아니라 실행 순서 보장도 가능하다.

• 세마포의 변수 S를 0으로 두고,
• 먼저 실행할 프로세스 뒤에 signal 함수
• 다음에 실행할 프로세스 앞에 wait 함수를 붙이면 된다.

 

 

 

3. 모니터

"매번 임계 구역 앞뒤로 wait, signal 함수를 호출해야 할까?"

"그러다 실수를 하면 어떻하지?"

• 그래서 등장한 모니터
• 사용자(개발자)가 다루기에 편한 동기화 도구
• 상호 배제를 위한 동기화 뿐만 아니라 실행 순서 제어를 위한 동기화까지도 제공
• 모니터 안에는 하나의 프로세스만이 있을 수 있다.

 

 

상호 배제를 위한 동기화

• 인터페이스를 위한 큐
• 공유자원에 접근하고자 하는 프로세스를 (인터페이스를 위한) 큐에 삽입
• 큐에 삽입된 순서대로 (한 번에 하나의 프로세스만) 공유 자원 이용

 

 

실행 순서 제어를 위한 동기화

• 조건 변수(condition variable) 이용
• 프로세스나 스레드의 실행 순서를 제어하기 위해 사용하는 특별한 변수
• 조건 변수.wait( ): 대기 상태로 변경, 조건 변수에 대한 큐에 삽입
• 조건 변수.signal( ): wait( )으로 대기 상태로 접어든 조건 변수를 실행 상태로 벼녁ㅇ

 

 

모니터 안에는 하나의 프로세스만이 있을 수 있다.

 

방법 2가지

1. wait( )를 호출했던 프로세스(프로세스 A)는 signal( )을 호출한 프로세스(프로세스 B)가 모니터를 떠난 뒤에 수행을 재개
2. signal( )을 호출한 프로세스(프로세스 B)의 실행을 일시 중단(대기 상태)하고 자신(프로세스 A)이 실행된 뒤 다시 signal( )을 호출한 프로세스(프로세스 B)의 수행을 재개

 

프로세스 B가 앞에 있는 프로세스 A보다 빨리 실행되어야 하는 경우를 가정

 

 

정리

1. 특정 프로세스가 아직 실행될 조건이 되지 않았을 때에는 (프로세스 A의) wait를 통해 실행을 중단한다.
2. 특정 프로세스가 실행될 조건이 충족되었을 때에는 (프로세스 B의) signal을 통해 실행을 재개한다.

 

 

해당 포스팅에 나온 글과 이미지들은 강민철 저자님의 혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제의 책과 강의를 참고하여 만들어졌습니다.

책에서 보다 깊게 나오는 내용이 있으므로 한번 구매하고 보셔도 좋을 것 같습니다.