운영체제 - 프로세스 동기화란?

프로세스 동기화

프로세스 동기화란

하나의 자원을 한 순간에 하나의 프로세스만이 이용하도록 제어하는 것

스레드 동기화란

하나의 코드블록 또는 메소드를 한순간에 하나의 스레드만이 이용하도록 보장하는 것

동기화가 없다면

- 데이터 일관성이 깨짐 => 즉, 한 순간 하나의 데이터의 값이 여러개일 수도 있게 됨, 다시 말해 여러개의 스레드가 하나의 변수에 대한 값이 제각각일 수 있게 됨.

배경

협력적 프로세스는 시스템 내에서 실행중인 다른 프로세스의 실행에 영향을 주거나 받는 프로세스 이다. 협력적 프로세스는 논리 주소 공간(코드, 또는 데이터)를 직접 공유 하거나 파일 또는 메시지에 의해서 공유가 이루어진다 전자의 방법을 통해 논리 주소 공간을 공유하는 것은 스레드(Thread)를 통해 달성할 수 있다. 하지만 이러한 경우 데이터의 비일관성을 초래할 수 있다. 때문에 데이터의 일광성을 유지하기 위해 프로세스 동기화가 필요하다.

 

예시

생산자 소비자 문제를 예시로 들겠다. 유한 버퍼에 데이터를 생산하는 생산자와 그 데이터를 소비하는 소비자가 존재한다. 생산자, 그리고 소비자에 대한 설명은 아래와 같다

생산자

생산자는 아이템 수를 나타내는 Count값이 buffer size와 같다면 여유 공간이 생기기 전까지 while문을 돌며 sleep한다. 또한 여유 공간이 생긴 경우 아이템을 생성하며 Count를 1증가 시킨다.

소비자

소비자는 buffer에 아무런 데이터가 없다면 while문을 돌며 sleep한다. 또한 버퍼에 데이터가 존재한다면 그 데이터를 소비하여 Count를 1감소 시킨다.

이 두 생산자, 소비자는 개별적으로 실행시 적절히 동작하지만 병렬적으로 실행하는 경우는 그렇지 못하다. 예를 들어 counter의 값이 5일때 생산자, 소비자 코드를 동시에 실행하는 경우 counter의 결과는 4가 될수도 6이 될수도 있다. 이러한 상황이 발생하는 이유는 단 한줄의 코드인 counter++ 또는 counter-- 조차도 원자적으로 실행되지 않기 때문이며, 또한 counter의 변수에 두 프로세스가 동시에 조작하도록 허용했기 때문이다.

 

*경쟁상황 - 실행 결과가 접근이 발생한 특정 순서에 의존하는 상황

 

임계구역(Critical Section)

do {
    *entry section*
        critical section
    *exit section*
        remainder section
}while(TRUE);

공유 자원에 접근하는 코드의 일부를 말한다. 각 프로세스는 자신의 임계구역으로 진입하려면 진입 허가를 요청해야 한다. 이런 요청 부분을 entry section이라고 한다. 또한 임계구역(Critical Section)에서 코드 실행을 마친 후 임계구역을 나오기전 실행해야하는 코드가 있는데 이런 부분을 exit section이라고 한다.

 

임계구역 문제

임계 구역으로 지정되어야 할 코드 영역이 임계구역으로 지정되지 않았을 때 발생할 수 있는 문제

 

임계구역 문제 해결조건

임계구역 문제를 해결하기 위해서는 아래의 3가지 조건을 모두 충족해야 한다.

1. 상호배제(mutual exclusion)

   - 한 프로세스가 임계구역에서 실행중이라면 다른 프로세스들은 그들 자신의 임계구역에서 실행될 수 없다.

    

2. 진행(Progress)

   - 임계구역에 들어간 프로세스가 없는 상태에서 들어가려는 프로세스가 여러 개 있다면 어느 것이 들어갈지 적절히 결정해야 한다. 또한 이 선택은 무한정 연기되면 안된다.

 

3. 한정된 대기(Bounded waiting)

   - 다른 프로세스의 기아를 방지하기 위해, 한 번 임계 구역에 들어간 프로세스는 다음 번 임계 구역에 들어갈 때 제한을 두어야 한다.

   - 진행과 착각할 수 있는데 진행은 말그대로 임계구역 해결을 위해 코드 실행이 멈추지 않는 것을 의미하며 한정된 대기는 임계구역 코드 실행에 들어간 프로세스 외 나머지 프로세스들이 기아 현상이 나타나지 않도록 하기 위해 이미 임계구역을 실행한 프로세스를 제한하는 것을 의미한다.

 

임계구역 문제 해결책

피터슨의 해결안

피터슨의 해결안은 두 개의 프로세스에 대한 소프트웨어 기반의 바쁜 대기(Busy Wating)를 사용하는 임계구역 문제 해결책이다. 프로세스는 P0과 P1로 번호를 매긴다. 편의상 Pi 라고 표현하면 Pj는 다른 프로세스를 가리키고 j는 1-i와 같다. 피터슨 해결안은 두 개의 프로세스가 아래 두 개의 데이터항목(turn, flag)을 공유하도록하여 임계구역 문제를 해결한다.

xxxxxxxxxx
int turn;
boolean flag[2];

- 변수 turn은 임계구역으로 진입할 순번을 나타낸다. 즉, turn == i라면 Pi가 임계구역에서 실행될 수 있다.

- flag배열은 프로세스가 임계구역으로 진입할 준비가 되었다는 것을 나타낸다. 예를 들어 flag[i]가 참이라면 Pi가 임계구역으로 진입할 준비가 되었다는 것을 나타낸다.

xxxxxxxxxx
*피터슨 해결안의 Process Pi의 구조*
do {
    // ===== entry section start =====
    flag[i] = true;
    turn = j;
    while(flag[j] && turn == j);
    // ===== entry section end =====
    
        *critical section*
    
    // ===== exit section start =====
    flag[i] = false;
    // ===== exit section end =====
    
        *remainder section*
}while(true); 

임계구역 문제를 해결하기 위해서 앞선 3가지 조건을 해결해야 함을 말했다.

1. 상호배제

첫 번째 while문의 조건이 flag[j] && turn == j 임을 통해 상호배제가 이루어짐을 알 수 있다. 두개의 프로세스가 동시에 critical section 에서 수행이 이루어지고 있다면 flag[0] == flag[1] == true 로 지정이 되어있어야 한다. 또한 turn == 0 == 1이 어야 두 개의 프로세스가 critical section에서 동시에 수행이 가능한 것인데 turn은 한순간에 오직 1개의 값만을 가질 수 있으므로 상호배제가 이루어짐을 알 수 있다.

2. 진행

Pj가 임계구역에 진입할 준비가 되지 않았다면 flag[j] == false일 것 이며, 따라서 Pi의 entry section의 while(flag[j] && turn == j); 조건에서 flag[j]가 false이므로 Pi는 임계구역에 진입이 가능할 것이다. 이로써 진행의 조건을 만족할 수 있다.

3. 한정된 대기

Pj가 flag[j]=true를 실행한 뒤 while문을 실행하면 이때 turn == i 또는 turn == j 일 것이다. i라면 Pi가 j라면 Pj가 임계구역에 진입한다. 이 때 turn == j 라고 가정하여 Pj가 실행되었다면 추 후 exit section의 flag[j] = false를 실행하게 되며 Pi가 임계구역에 진입하도록 해준다. 또한 Pj가 다시 실행하게 되어 flag[j] = true를 실행하면 반드시 turn = i를 실행하게 되므로 Pi가 실행을 위해 while문에서 대기중이었다면 Pi도 반드시 한번은 임계구역에 진입할 수 있도록 보장하게 된다.

 

바쁜 대기(Busy Waiting)

바쁜 대기란 특정 공유자원에 대해 두 개 이상의 프로세스나 스레드가 이용 권한을 획득하고자 하는 동기화 상황에서 무한 루프를 돌며 쓸데 없이 CPU 자원을 낭비하며 대기하는 현상을 말한다. 대신 뮤텍스(Mutex) 나 세마포어(Semaphore)등을 사용하면 바쁜 대기를 하지 않을 수 있다. 하지만 바쁜대기는 뮤텍스 또는 세마포어를 사용하기에는 오버헤드가 큰 상황에서 간단히 사용할 수 있다.