[운영체제] 동기화와 교착 상태

용어 정리

공유 자원
: 프로세스 혹은 스레드가 공유하는 자원
ex) 메모리, 파일, 전역 변수, 입출력장치

임계 구역 (Critical Section)
: 공유 자원에 접근하는 코드 중 동시에 실행했을 때 문제가 발생할 수 있는 코드

 레이스 컨디션
: 프로세스 혹은 스레드가 동시에 임계 구역의 코드를 실행하여 문제가 발생하는 상황

 

1. 동기화

동기화 조건
1. 실행 순서 제어
: 프로세스 및 스레드를 올바른 순서로 실행

2. 상호 배제
: 동시에 접근해서는 안 되는 자원에 하나의 프로세스 및 스레드만 접근

 

1-1. 뮤텍스 락

임계 구역에 접근하고자 한다면 반드시 lock을 acquire해야 하고,
임계 구역에서의 작업이 끝났다면 lock을 release 해야 한다.

 

pthread_mutex_t mutex;

void* increment(void* arg)
{
    int i;
    for(i = 0; i < 10000; i++)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        shared_data++;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
}

 

1-2. 세마포

이진 세마포(binary semaphore)
: S가 0과 1의 값을 가지는 세마포. 뮤텍스 락과 유사하게 동작

카운팅 세마포(counting semaphore)
: 공유 자원이 여러 개 존재하는 경우에 사용할 수 있는 세마포

 

- 변수 S : 사용 가능한 공유 자원의 개수를 나타내는 변수

- wait( ) : 임계 구역 진입 전 호출하는 함수

- signal( ) : 임계 구역 진입 후 호출하는 함수

 

wait()
{
    S--;
    if(S < 0)
    {
        sleep();
    }
}

 wait 호출 시 변수 S를 1 감소시킨다. 이후 S의 값이 0보다 작은지 확인한다.

S의 값이 0 이상이라면 사용 가능한 공유 자원의 개수가 남아있다는 의미이므로 임계 구역에 진입한다.

S의 값이 0 미만이라면 대기 상태로 전환된다.

 

signal()
{
    S++;
    if(S <= 0)
    {
        wakeup(p);
    }
}

signal  호출 시 변수 S를 1 증가시킨다. 이후 S의 값이 0이하인지 확인한다.

S의 값이 0 이하인 경우 대기 상태인 프로세스가 있다는 의미이므로 대기 중인 프로세스 중 하나를 준비 상태로 전환한다.

S의 값이 0을 초과할 경우 사용 가능한 공유 자원의 개수가 1개 이상 남아 있음을 의미한다.

 

1-3. 조건 변수

조건 변수는 실행 순서 제어를 위한 동기화 도구이다. 특정 조건 하에 프로세스를 실행/중단함으로써 프로세스 및 스레드의 실행 순서를 제어할 수 있다.

 

pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;

------------------

while(!ready)
{
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}

------------------

ready = true;
pthread_cond_signal(&cond);

 

1-4. 모니터

모니터는 공유 자원과 공유 자원을 다루는 함수로 구성된 동기화 도구이다. 실행순서뿐만 아니라 상호 배제를 위한 동기화가 가능하다.

 

프로세스 및 스레드는 공유 자원에 접근하기 위해 반드시 정해진 공유 자원 연산(인터페이스)을 통해 모니터 내로 진입해야 하고, 모니터 안에 진입하여 실행되는 프로세스 및 스레드는 항상 하나여야 한다. 만약, 이미 실행 중인 프로세스 및 스레드가 있는 경우 큐에서 대기해야 한다.

 

자바의 경우 synchronized 키워드가 해당한다.

 

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2. 스레드 안전

멀티스레드 환경에서 어떤 변수나 함수, 객체에 동시 접근이 이루어져도 실행에 문제가 없는 상태를 의미한다.

자바의 경우 ArrayList의 add는 스레드 안전성이 보장되지 않고, Vector의 add는 스레드 안전성이 보장된다고 한다.

 

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3. 교착 상태

일어나지 않을 사건을 기다리며 프로세스의 진행이 멈춰버리는 현상을 뜻한다.

 

교착 상태의 발생 조건

1. 상호 배제
: 한 프로세스가 사용하는 자원을 다른 프로세스가 사용할 수 없는 상황인 경우

2. 점유와 대기
: 한 프로세스가 어떤 자원을 할당받은 상태에서 다른 자원을 할당받기를 기다리는 상태인 경우

3. 비선점
: 해당 자원을 이용하는 프로세스의 작업이 끝나야만 비로소 자원을 이용할 수 있는 경우

4. 원형 대기
: 프로세스와 프로세스가 요청한 자원이 원의 형태를 이루는 경우

위의 4가지 조건을 모두 만족하는 경우 교착 상태가 발생할 가능성이 생긴다.

 

교착 상태의 해결 방법

1. 교착 상태 예방
: 교착 상태 발생 조건 4가지 중 하나를 충족하지 못 하게 하는 방법이다.

2. 교착 상태 회피
: 교착 상태가 발생하지 않을 정도로만 조심하면서 자원을 할당하는 방법이다.
대표적인 알고리즘으로 은행원 알고리즘이 있다.

3. 교착 상태 검출 후 회복
: 자원을 할당하고 주기적으로 교착 상태의 발생 여부를 검사한다. 만약 교착 상태가 발생한 경우 자원 선점을 통해 회복시키거나, 교착 상태에 놓인 프로세스를 강제 종료함으로써 회복시킨다.