💫 Process Synchronization

✨ 데이터의 접근

• Execution-box
  1. CPU
  2. 컴퓨터내부
  3. 프로세스
• Storage-box
  1. Memory
  2. 디스크
  3. 그 프로세스의 주소 공간

✨ Race Condition

• S-box(Memory, Address Space)를 공유하는 E-box(CPU, Process)가 여럿 있는 경우 Race Condition의 가능성이 있음
• Memory, CPU - Multiprocessor system
• Address Space, Process
  • 공유메모리를 사용하는 프로세스들
  • 커널 내부 데이터를 접근하는 루틴들 간 (ex : 커널모드 수행 중 인터럽트로 커널모드 다른 루틴 수행 시)

📢 OS에서 race condition은 언제 발생하는가 ?

1. kernel 수행 중 인터럽트 발생 시
   • 커널모드 running 중 interrupt가 발생하여 인터럽트 처리루틴이 수행
     • 양쪽 다 커널 코드이므로 kernel address space 공유
2. Process가 system call을 하여 kernel mode로 수행 중인데 context switch가 일어나는 경우
   • 두 프로세스의 address space 간에는 data sharing이 없음
   • 그러나 system call을 하는 동안에는 kernel address space의 data를 access하게 됨 (share)
   • 이 작업 중간에 CPU를 preempt 해가면 race condition 발생
   • 해결책
     • 커널 모드에서 수행 중일 때는 CPU를 preempt 하지 않음
     • 커널 모드에서 사용자 모드로 돌아갈 때 preempt
3. Multiprocessor에서 shared memory 내의 kernel data
   • 어떤 CPU가 마지막으로 count를 store 했는가 ? > race condition
   • multiprocessor의 경우 interrupt enable/disable 로 해결되지 않음
   • 방법
     1. 한번에 하나의 CPU만이 커널에 들어갈 수 있게 하는 방법
     2. 커널 내부에 있는 각 공유 데이터에 접근할 때마다 그 데이터에 대한 lock / unlock을 하는 방법

✨ Process Synchronization 문제

• 공유 데이터 (shared data)의 동시 접근 (concurrent access)은 데이터의 불일치 문제(inconsistency)를 발생시킬 수 있다
• 일관성(consistency) 유지를 위해서는 협력 프로세스 (cooperating process) 간의 실행 순서 (orderly execution)를 정해주는 메커니즘 필요
• Race condition
  • 여러 프로세스들이 동시에 공유 데이터를 접근하는 상황
  • 데이터의 최종 연산 결과는 마지막에 그 데이터를 다룬 프로세스에 따라 달라짐
• race condition을 막기 위해서는 concurrent process는 동기화 (synchronize) 되어야 한다

✨ The Critical-Section Problem

• n개의 프로세스가 공유 데이터를 동시에 사용하기를 원하는 경우
• 각 프로세스의 code segment에는 공유 데이터를 접근하는 코드인 critical section이 존재
• Problem
  • 하나의 프로세스가 critical section에 있을 때 다른 모든 프로세스는 critical section에 들어갈 수 없어야 한다.

✨ Initial Attempts to Solve Problem

• 두 개의 프로세스가 있다고 가정 P₀, P₁
• 프로세스들의 일반적인 구조
• 프로세스들은 수행의 동기화(synchronize)를 위해 몇몇 변수를 공유할 수 있다 → synchronization variable

✨ 프로그램적 해결법의 충족 조건

1. Mutual Exclusion (상호 배제)
   • 프로세스 Pi가 critical section 부분을 수행 중이면 다른 모든 프로세스들은 그들의 critical section에 들어가면 안된다
2. Progress (진행)
   • 아무도 critical section에 있지 않은 상태에서 critical section에 들어가고자 하는 프로세스가 있으면 critical section에 들어가게 해주어야 한다
3. Bounded Waiting (유한 대기)
   • 프로세스가 critical section에 들어가려고 요청한 후부터 그 요청이 허용될 때까지 다른 프로세스들이 critical section에 들어가는 횟수에 한계가 있어야 한다

• 가정
  • 모든 프로세스의 수행 속도는 0보다 크다
  • 프로세스들 간의 상대적인 수행 속도는 가정하지 않는다

📢 Algorithm 1

• Synchronization variable

  int turn;
  initially turn = 0; # Pi can enter its critical section if (turn == i)

• Process P₀
• Satisfies mutual exclusion, but not progress >> Progress 조건을 만족하지 못함
• 과잉 양보
  • 반드시 한번씩 교대로 들어가야만 함 (swap-turn)
  • 그가 turn 을 내값으로 바꿔줘야만 내가 들어갈 수 있음
  • 특정 프로세스가 더 빈번히 critical section을 들어가야 한다면 ?

📢 Algorithm 2

• Synchronization variables
  • boolean flag[2]; initially flat [모두] == false / no one is in CS/
    
  • "Pi ready to enter its critical section" if (flag [i] == true)
• Process Pi
• Satisfies mutual exclusion, but not progress requirement
• 둘 다 2행까지 수행 후 끊임없이 양보하는 상황 발생
• 둘 다 깃발만 들었지 기다리다가 못들어감

📢 Algorithm 3 ( Peterson's Algorithm )

• Combined synchronization variables of algorithms 1 and 2.
• Process Pi
• Meets all three requirements; solves the critical section problem for two processes.
• Busy Waiting!(=spin lock) (계속 CPU와 memory를 쓰면서 wait)

✨ Synchronization Hardware

• 하드웨어적으로 Test & modify 를 atomic 하게 수행할 수 있도록 지원하는 경우 앞의 문제는 간단히 해결
• Mutual Exclusion with Test & Set

✨ Semaphores

• 앞의 방식들을 추상화시킴
• Semaphore S
  • integer variable
  • 아래의 두 가지 atomic 연산에 의해서만 접근 가능

📢 Critical Section of n Processes

• busy-wait 는 효율적이지 못함 (= spin lock)
• Block & Wakeup 방식의 구현 (= sleep lock)

📢 Block / Wakeup Implementation

• Semaphore를 다음과 같이 정의
• block 과 wakeup을 다음과 같이 가정
  • block
    • 커널은 block을 호출한 프로세스르를 suspend 시킴
    • 이 프로세스의 PCB를 semaphore에 대한 wait queue에 넣음
  • wakeup(P)
    • block 된 프로세스 P를 wakeup 시킴
    • 이 프로세스의 PCB를 ready queue로 옮김

[ Implementation ] - block / wakeup version of P() & V()

• Semaphore 연산이 이제 다음과 같이 정의됨
• 자원을 반납하고 끝나는 것이 아니라 혹시 자원을 기다리는 연산이 있다면 그 연산을 깨워줌

📢 Which is better ?

• Busy-wait v.s. Block/wakeup
• Block/wakeup overhead v.s. Critical section 길이
  • Critical section의 길이가 긴 경우 Block/Wakeup이 적당
  • Critical section의 길이가 매우 짧은 경우 Block/Wakeup 오버헤드가 busy-wait 오버헤드보다 더 커질 수 있음
  • 일반적으로는 Block/Wakeup 방식이 더 좋음

📢 Two Types of Semaphores

1. Counting semaphore
   • 도메인이 0 이상인 임의의 정수값
   • 주로 resource counting에 사용
2. Binary semaphore
   • 0 또는 1 값만 가질 수 있는 semaphore
   • 주로 mutual exclusion (lock/unlock) 에 사용

📢 Deadlock and Starvation

• Deadlock
  • 둘 이상의 프로세스가 서로 상대방에 의해 충족될 수 있는 event를 무한히 기다리는 현상
• S와 Q가 1로 초기화된 semaphore라 하자.
• Starvation
  • indefinite blocking. 프로세스가 suspend된 이유에 해당하는 세마포어 큐에서 빠져나갈 수 없는 현상
• 자원을 획득하는 순서를 똑같이 맞춰주면 해결할 수 있음

✨ Classical Problems of Synchronization

1. Bounded-Buffer Problem (Producer-Consumer Problem)
2. Readers and Writers Problem
3. Dining-Philosophers Problem

📢 Bounded-Buffer Problem (Producer-Consumer Problem)

• Shared data
  • buffer 자체 및 buffer 조작 변수 (empty / full buffer의 시작 위치)
• Synchronization variables
  • mutual exclusion → Need binary semaphore (shared data의 mutual exclusion을 위해)
  • resource count → Need integer semaphore (남은 full/empty buffer의 수 표시)

📢 Readers-Writers Problem

• 한 process가 DB에 write 중일 때 다른 process가 접근하면 안됨
• read는 동시에 여럿이 해도 됨
• solution
  • Writer가 DB에 접근 허가를 아직 얻지 못한 상태에서는 모든 대기중인 Reader들을 다 DB에 접근하게 해준다
  • Writer는 대기 중인 Reader가 하나도 없을 때 DB 접근이 허용된다
  • 일단 Writer가 DB에 접근중이면 Reader들은 접근이 금지된다
  • Writer가 DB에서 빠져나가야만 Reader의 접근이 허용된다

💡 Shared data

• DB 자체
• readcount
  • 현재 DB에 접근 중인 Reader의 수

💡 Synchronization variables

• mutex
  • 공유 변수 readcount를 접근하는 코드(critical section)의 mutual exclusion 보장을 위해 사용
• db
  • Reader와 writer가 공유 DB 자체를 올바르게 접근하게 하는 역할

📢 Dining-Philosophers Problem

• Synchronization variables

semaphore chopstick[5];
/* Initially all values are 1*/

• Philosopher i

do{
    P(chopstick[i];)
    P(chopstick[(i+1)%5]);
    ...
    eat();
    ...
    V(chopstick[i]);
    V(chopstick[(i+1)%5]);
    ...
    think();
    ...
} while(1);

• 앞의 solution의 문제점
  • Deadlock 가능성이 있다
  • 모든 철학자가 동시에 배가 고파져 왼쪽 젓가락을 집어버린 경우
• 해결방안
  • 4명의 철학자만이 테이블에 동시에 앉을 수 있도록 한다
  • 젓가락을 두 개 모두 집을 수 있을 때에만 젓가락을 집을 수 있게 한다
  • 비대칭
    • 짝수(홀수) 철학자는 왼쪽(오른쪽) 젓가락부터 집도록

💡Monitor

• Semaphore의 문제점
  • 코딩하기 힘들다
  • 정확성(correctness)의 입증이 어렵다
  • 자발적 협력(voluntary cooperation)이 필요하다
  • 한번의 실수가 모든 시스템에 치명적 영향
• 동시 수행중인 프로세스 사이에서 abstract data type의 안전한 공유를 보장하기 위한 high-level synchronization construct
• 모니터 내에서는 한번에 하나의 프로세스만이 활동 가능
• 프로그래머가 동기화 제약 조건을 명시적으로 코딩할 필요없음
• 프로세스가 모니터 안에서 기다릴 수 있도록 하기 위해 condition variable 사용 condition x, y;
  
• Condition variable은 wait와 signal 연산에 의해서만 접근 가능 x.wait();

  • x.wait() 을 invoke 한 프로세스는 다른 프로세스가 x.signal()을 invoke 하기 전까지 suspend 된다

    x.signal()

  • x.signal() 은 정확하게 하나의 suspend 된 프로세스를 resume 한다.

  • Suspend 된 프로세스가 없으면 아무 일도 일어나지 않는다.