[Operating System] 프로세스 동기화

✔️ 프로세스 동기화

동기화 문제

• 임계 영역이란 여러 프로세스가 데이터를 공유하며 수행될 때, 각 프로세스에서 공유 데이터를 접근하는 프로그램 코드 부분
• 이렇게 공유된 자원에 여러 프로세스가 동시에 접근하면 문제가 발생할 수 있음
• 그러므로 공유된 자원의 데이터는 한 번에 하나의 프로세스만 접근할 수 있도록 제한을 둬야함
• 동기화 기법에는 유저 모드의 동기화와 커널 모드의 동기화가 존재
  1. 유저 모드의 동기화
     커널의 힘을 빌리지 않는 동기화 기법으로 임계 구역 기반의 동기화와 인터락 함수 기반의 동기화가 존재
  2. 커널 모드의 동기화
     커널에서 제공하는 동기화 기능을 이용하는 방법으로 세마포어, 뮤텍스, 모니터 등이 존재

세마포어(Semaphore)란?

• 멀티프로그래밍 환경에서 공유 자원에 대한 접근을 제한하는 방법
• 세마포어 연산으로는 P 연산과 V 연산이 존재
  1. P : 임계 구역에 들어가기 전에 수행하며 프로세스 진입 여부를 자원의 개수(S)를 통해 결정
  2. V : 임계 구역에서 나올 때 수행하며 자원 반납을 알리고 대기 중인 프로세스를 깨움
  3. P와 V를 사용하여 임계 구역에 대한 상호배제 구현이 가능하게 됨
• 가용한 개수를 가진 자원에 대한 접근 제어용으로 사용되며, 가용한 자원의 개수로 초기화 되므로 카운팅 세마포어라고도 함

procedure P(S)   --> 최초 S값은 1임
    while S=0 do wait  --> S가 0면 1이 될때까지 기다려야 함
    S := S-1   --> S를 0로 만들어 다른 프로세스가 들어 오지 못하도록 함
end P

--- 임계 구역 ---

procedure V(S) --> 현재상태는 S가 0임
    S := S+1   --> S를 1로 원위치시켜 해제하는 과정
end V

뮤텍스(Mutex)란?

• 임계 구역을 가진 스레드들이 실행시간이 서로 겹치지 않고 각각 단독으로 실행되게 하는 기술
• 상호 배제(Mutual Exclusion)의 약자
• 해당 접근을 조율하기 위해 lock과 unlock을 사용
  1. lock : 현재 임계 구역에 들어갈 권한을 얻으며 만약 다른 프로세스나 스레드가 수행 중이면 종료할 때까지 대기함
  2. unlock : 현재 임계 구역을 모두 사용했을 대 알리며 이후 대기 중인 다른 프로세스나 스레드가 임계 구역에 진입할 수 있음
• 뮤텍스는 동기화 대상이 오직 하나뿐이므로 상태가 0, 1로 이진 세마포어로 부르기도 함
• 뮤텍스 알고리즘으로는 데커 알고리즘, 피터슨 알고리즘, 제과점 알고리즘이 존재
  1. 데커 알고리즘 : flag와 turn 변수를 통해 임계 구역에 들어갈 프로세스/스레디를 결정하는 방식
  2. 피터슨 알고리즘 : 데커 알고리즘과 유사하지만 상대방 프로세스/스레드에게 진입 기회를 양보할 수 있음
  3. 제과점 알고리즘 : 여러 프로세스/스레드에 대한 처리가 가능하며 가장 작은 수의 번호표를 가지고 있는 프로세스가 진입

교착 상태(DeadLock)란?

• 두 개 이상의 프로세스나 스레드가 서로 자원을 얻지 못해서 다음 처리를 하지 못하는 상태
• 무한히 다음 자원을 기다리게 되는 상태
• 시스템적으로 한정된 자원을 여러 곳에서 사용하려고 할 때 발생
• 교착 상태의 발생 조건 : 4가지 모두 성립해야 교착 상태가 발생함
  1. 상호 배제
     자원은 한 번에 한 프로세스만 사용할 수 있음
  2. 점유 대기
     최소한 하나의 자원을 점유하고 있으면서
     다른 프로세스에 할당되어 사용하고 있는 자원을 추가로 점유하기 위해 대기하는 프로세스가 존재
  3. 비선점
     다른 프로세스에 할당된 자원은 사용이 끝날 때가지 강제로 빼앗을 수 없음
  4. 순환 대기
     프로세스의 집합에서 순환 형태로 자원을 대기하고 있어야 함

• 교착 상태를 예방하기 위해서는 교착 상태 발생 조건 중 하나를 제거하면서 해결하도록 함
  1. 여러 프로세스가 공유 자원을 사용할 수 있도록 상호 배제를 부정
  2. 프로세스 실행 전 모든 자원을 할당하여 점유 대기를 부정
  3. 자원 점유 중인 프로세스가 다른 자원을 요구할 때 가진 자우너을 반납하도록 하여 비선점을 부정
  4. 자원에 고유번호를 할당한 후 순선대로 자원을 요구하도록 하여 순환 대기를 부정
  5. 하지만 이러한 방법들은 자원 낭비가 심하게 발생
• 교착 상태가 발생 시 회피하기 위해서는 은행원 알고리즘을 사용
  1. 프로세스가 자원을 요구할 때, 시스템은 자원을 할당한 후에도 안정 상태로 남아있게 되는지 사전에 검사
  2. 안정 상태로 남아있을 경우에는 자원을 할당하고, 그렇지 않을 경우 다른 프로세스들이 자원을 해지할 때까지 대기하도록 함

• 교착 상태가 발생했을 때 이를 허용한 후에 회복할 수도 있음
  1. 자원 할당 그래프를 통해 교착 상태를 탐지
  2. 탐지를 통해 교착 상태를 일으킨 프로세스를 종료하거나, 할당된 자원을 해제시켜 회복

경쟁 상태(Race Condition)란?

• 공유 자원에 대해 여러 프로세스가 동시에 접근할 때, 결과값에 영향을 줄 수 있는 상태
• 동시 접근 시 자료의 일관성을 해치는 결과가 나타나게 됨
• 경재 상태가 발생하는 경우
  1. 커널 작업을 수행하는 중에 인터럽트가 발생할 때
  2. 프로세스가 시스템 콜을 하여 커널 모드로 진입하여 작업을 수행하는 도중 문맥 교환이 발생할 때
  3. 멀티 프로세서 환경에서 공유 메모리 내의 커널 데이터에 접근할 때
  4. 이를 방지하기 위해 CPU 제어권을 가져가지 못하도록 하거나, lock/unlock을 하도록 하여 데이터를 조작하지 못하도록 함