[Operating Systems] Synchronization

chowisely·2020년 9월 24일
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Operating Systems

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병렬성(parallelism)병행성(concurrency)의 개념을 헷갈려하는 사람들이 꽤 있다. 병렬성은 멀티코어 프로세서에서 각 코어에 하나의 작업을 실행시켜 특정 시간에 두 개 이상의 작업이 실행되고 있는 것을 말한다. 반면 병행성싱글코어를 기준으로 여러 프로세스들이 매우 짧은 주기로 교체되어 실행되는 것을 말한다. 매우 짧은 시간마다 작업을 번갈아 가며 실행하기 때문에 사용자 입장에서는 여러 작업이 동시에 진행되고 있는 것처럼 보인다. 다시 말하면, 특정 시간에서 병렬성은 두 개 이상의 일, 병행성은 하나의 일을 수행한다.

병행성을 가지는 병행 프로세스(concurrent process)독립 프로세스(independent process)협력 프로세스(cooperating process)으로 나눌 수 있다. 협력 프로세스는 특정한 목적을 달성하기 위해 다른 프로세스들과 협력한다. 이들은 제한된 컴퓨터 자원의 효율성을 증대하고, 계산 속도를 향상시키지만 자원을 공유하는 데에서 데이터 불일치(data inconsistency)를 야기할 수 있다. 따라서 협력 프로세스들이 공유 자원에 접근하는 순서를 조정하는 메커니즘이 필요하다.


Synchronization

동기화(synchronization)상호 배제(mutual exclusion)를 위해 실행을 제어하는 메커니즘을 말한다. 상호 배제란 공유 자원에 접근하는 프로세스는 하나만 허용하고 이외의 모든 접근은 차단하는 것이다. 다음 글에서 설명하겠지만 이로 인해 교착 상태(deadlock)기아 상태(starvation)가 발생할 수 있다.

하드웨어 기반 메커니즘소프트웨어 기반 메커니즘
Test-and-Set, Compare-and-Swap, Mutex LockDekker's Algorithm, Peterson's Algorithm, Semaphore, Monitor

Race Condition

경쟁 상태(race condition)은 공유 자원을 여러 프로세스가 동시에 접근하고, 이들이 접근하는 순서에 따라 결과가 달라지는 현상이다.

다음은 counter++counter--를 컴퓨터 내부적으로 어떻게 실행하는지 나타낸 코드다.

/* counter++ */
line 1: register1 = counter
line 2: register1 = register1 + 1
line 3: counter = register1

/* counter-- */
line 4: register2 = counter
line 5: register2 = register2 - 1
line 6: counter = register2

프로그래머는 counter에 1을 증가시키기 위해 단 하나의 문장만 사용한다. 하지만 내부적으로는 2개 이상의 명령어를 실행하는 꼴이다. 두 개의 프로세스 P1과 P2가 간발의 차로 각각 counter++counter--를 실행하면 어떻게 될까? counter의 초기값을 5라고 하고, P1이 counter++를 먼저 실행하는 하나의 시나리오는 다음과 같다.

P1 executes line 1: register1 = 5
P1 executes line 2: register1 = 6
P2 executes line 4: register2 = 5
P2 executes line 5: register2 = 4
P1 executes line 3: counter = 6
P2 executes line 6: counter = 4

위 시나리오대로라면 P1은 counter로 6을, P2는 counter로 4를 얻어 다음 실행을 계속할 것이다. 하지만 counter는 동일한 메모리 주소에 저장되어 있는 변수이므로 데이터에 일관성을 유지해야한다.


Critical Section

두 개 이상의 프로세스가 실행 중일 때, 각 프로세스는 임계 영역(critical solution)을 가지고 있다. 임계 영역은 코드 상에서 프로세스가 공유 자원을 바꿀 가능성이 있는 부분을 말한다. 동시에 하나의 프로세스만이 임계 영역에 들어갈 수 있다는 보장을 하면, 공유 자원의 데이터 불일치를 해소할 수 있다.

do {
  // entry section
  // critical section
  // exit section
  // remainder section
} while(1);

임계 영역의 전과 후에는 entry section과 exit section이 있다. entry section에서 critical section에 들어가기 위한 요청을 하기 때문에 critical section에는 모든 시간에 단 하나의 프로세스만 접근한다는 보장을 할 수 있다.

임계 영역을 구현하기 위한 메커니즘은 상호 배제(mutual exclusion), 진행(progress), 유한 대기(bounded waiting)이 있다.

Mutual Exclusion

어떠한 프로세스가 임계 영역에 있다면, 동시에 다른 프로세스들이 임계 영역에 접근할 수 없도록 막는다.

Progress

어떠한 프로세스도 임계 영역에 없으며 임계 영역에 들어가고자 하는 프로세스들이 있다면, 어떤 프로세스를 허용할지 유한 시간 내에 결정해야 한다.

Bounded Waiting

한 프로세스가 임계 영역에 들어가고자 요청한 후 그 요청이 승인되기 전까지 다른 프로세스들이 임계 영역에 들어갈 수 있는 횟수는 제한되어야 한다. 임계 영역에 들어가고자 무한정 기다리는 상태를 방지하기 위함이다.


Synchronization Mechanism

Hardware-Based Mechanism

Mutex

뮤텍스(mutex)는 스레드가 획득하고 해제할 수 있는 일종의 잠금 기능이 있는 변수다. 한 스레드가 뮤텍스 m에 대한 acquire()을 호출하면 m에 대한 열쇠를 가지게 된다. 만약 다른 스레드가 뮤텍스 m에 대한 열쇠를 지고 있다면 release()가 호출되기 전까지 기다린다. 바쁜 대기(busy wait)를 요한다.

Software-Based Mechanism

Semaphore

뮤텍스보다 더 정교하게 프로세스들을 동기화한다. 임계 구역의 상호 배제를 구현하는 것 외에도 프로세스들의 실행 순서를 제어할 수 있다. 세마포는 정수 값을 가지는 변수다.

세마포 연산
1. S.wait(): 세마포 S의 값을 1 감소시킨다. S >= 0이면 다음 실행으로 넘어가고, S < 0이면 스레드를 대기 큐에 넣고 블락시킨다.
2. S.signal(): 세마포 S의 값을 1 증가시킨다. S > 0이면 다음 실행으로 넘어가고, S <= 0이면 대기 큐에 있는 스레드 하나를 깨운다.

실행 순서를 제어하는 건 밑의 예제들을 참고하자.

  1. P1의 S1 -> P2의 S2
// semaphore 's' initialized to 0

/* P1 */
// do S1
s.signal()

/* P2 */
s.wait()
// do S2
  1. deposit과 withdraw를 1회씩 번갈아 실행
// semaphore 'dsem' initialized to 0
// semaphore 'wsem' initialized to 0

/* P1 */
deposit()
wsem.signal()
dsem.wait()

/* P2 */
wsem.wait()
withdraw()
dsem.signal()
Monitor

동시에 수행 중인 프로세스 사이에서 ADT(abstract data type)의 안전한 공유를 보장하기 위해 상위 레벨에서 동기화를 구현한 것이 모니터(monitor)다. 모니터 내부를 몰라도 상호 배제를 쉽게 구현할 수 있다. 모니터를 활용한 예로는 Java의 Thread 라이브러리에 있는 wait(), notify()가 있다.

모니터 특징
1. 모니터 내에서는 한번에 하나의 프로세스만 활동이 가능하다.
2. 프로세스가 모니터 안에서 기다릴 수 있도록 조건 변수를 사용한다.
3. 조건 변수의 도입으로 하나 이상의 프로세스가 동일한 모니터에 존재할 수 있다. 조건 변수는 현재 그 조건으로 대기 중인 프로세스들의 큐와 연결되어 있다.
4. 조건 변수는 프로시저를 통해서만 접근이 가능하다.

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