[운영체제] 프로세스 동기화

임계영역(Critical Section)

멀티 스레딩의 문제점에서 나오듯, 동일한 자원을 동시에 접근하는 작업을 실행하는 코드 영역을 임계영역(Critical Section)이라 한다.

임계영역 문제(Critical Section Problem)

프로세스들이 Critical Section을 함께 사용할 수 있는 프로토콜을 설계하는 것이다.

• 해결을 위한 기본 조건(Requirements)
  • 상호 배제(Mutual Exclusion)
    • 프로세스 A가 Critical Section에서 실행 중이라면, 다른 프로세스들은 그들이 가진 Critical Section에서 실행될 수 없다.
  • 진행(Progress)
    • Critical Section에서 실행 중인 프로세스가 없고, 별도의 동작이 없는 프로세스들만 Critical Section 진입 후보로서 참여될 수 있다.
  • 한정된 대기(Bounded Wating)
    • 프로세스 A가 Critical Section에 진입 신청 후부터 받아들여질 떄까지, 다른 프로세스들이 Critical Section에 진입하는 횟수는 제한이 있어야 한다.

해결책

• Lock
  • 하드웨어 기반 해결책으로써, 동시에 공유 자원에 접근하는 것을 막기 위해 Critical Section에 진입하는 프로세스는 Lock을 획득하고 Critical Section을 빠져나올 때, Lock을 방출함으로써 동시에 접근이 되지 않도록 한다.
  • 한계
    • 다중처리기 환경에서는 시간적인 효율성 측면에서 적용할 수 없다.
• 세마포어(Semaphores)
  • 소프트웨어 상에서 Critical Section 무넺를 해결하기 위한 동기화 도구
  • 종류
    • 카운팅 세마포어(Counting Semaphores): 가용한 개수를 가진 자원에 대한 접근 제어용으로 사용되며, 세마포어는 그 가용한 자원의 개수로 초기화 된다. 자원을 사용하면 세마포어가 감소, 방출하면 증가한다.
    • 이진 세마포어(Binary Semaphores): Mutex라고도 부른다. 0과 1 사이의 값만 가능하며, 다중 프로세스들 사이의 Critical Section 문제를 해결하기 위해 사용된다.
  • 단점
    • Busy Wating: spin lock이라고 불리는 세마포어 초기 버전에서 Critical Section에 진입해야 하는 프로세스는 진입 코드를 계속 반복 실행해야 하며, CPU 시간을 낭비한다. 일반적으로, 세마포어에서 임계 영역에 진입을 시도했지만 실패한 프로세스에 대해 Block시킨 뒤, 임계영역에 자리가 날 때 다시 꺠우는 방식을 사용하여 busy waiting의 시간문제를 해결할 수 있다.

데드락(Deadlock)

세마포어가 Ready Queue를 가지고 있고, 둘 이상의 프로세스가 임계영역에 진입을 무한정 기다리고 있고, 임계영역에서 실행되는 프로세스는 진입 대기 중인 프로세스가 실행되어야만 빠져나올 수 있는 상황을 말한다.