👨🏻‍🌾 생산자 소비자 문제

Producer-consumer problem

공유버퍼를 사이에 두고, 공유버퍼에 데이터를 공급하는 생산자들과 데이터를 읽고 소비하는 소비자들이 공유버퍼를 문제 없이 사용하도록 생산자와 소비자를 동기화시키는 문제이다.

위 사진을 보면, 공유버퍼가 3만큼 채워졌었다. 이 상태에서 생산자와 소비자가 동시에 접근한다.

생산자가 먼저 실행되었을 때 sum은 4가 되고 그 이후 소비자가 실행되면 소비자가 생산자와 동시에 읽은 sum 변수의 값은 3이었으므로 sum이 2가 된다.

이렇게 동시에 접근하는 문제에서 실행 순서에 따른 결과 차이가 발생한다.

생산자-소비자 관계

키보드 입력, 미디어 플레이어, 스트리밍 서버도 생산자-소비자 관계이다.

문제점

1. 상호 배제 문제 - 생산자들과 소비자들의 공유 버퍼에 대한 상호 배제

2. 비어 있는 공유 버퍼 문제 - 비어 있는 공유버퍼를 소비자가 읽으면 안 된다.

3. 꽉 찬 공유버퍼 문제 - 꽉 찬 공유버퍼에 생산자가 더 이상 데이터를 입력하면 안 된다.

세마포어 2개를 이용한 해결

세마포어1. 읽기용 세마포어

읽기 가능한 버퍼 갯수를 확인함으로써 비어있는 버퍼 문제를 해결한다.

비어 있는 버퍼에 대하여 소비자가 P 연산 후 버퍼를 읽으려고 하면 재워버리고, 생산자는 버퍼에 데이터를 쓰고 V 연산을 수행하고 소비자를 깨운다.

세마포어2. 쓰기용 세마포어

쓰기 가능한 버퍼 갯수를 확인함으로써 꽉 찬 버퍼 문제를 해결한다.

생산자가 P 연산 후 꽉 찬 버퍼에 대해 쓰려고 하면 재워버리고, 소비자는 버퍼를 읽고 V 연산으로 생산자를 깨운다.

알고리즘 표현

위 두 세마포어를 가지고 동작하는 소비자와 생산자를 알고리즘으로 표현해보자.

• R: 버퍼에 읽기 가능한 버퍼의 개수, 0이면(비어 있는 경우) 대기
• W: 버퍼에 있는 쓰기 가능한 버퍼의 개수, 0이면(꽉 차있는 경우) 대기
• M: 뮤텍스, 생산자 소비자 모두 사용

소비자 스레드

Consumer {
	while(true) {
    	P(R); // 세마포어 R에 P/wait 연산을 수행하여 버퍼가 비어 있으면(읽기 가능한 버퍼 수=0) 대기한다.
        
        뮤텍스를(M)을 잠근다.
        공유버퍼에서 데이터를 읽는다. // 임계구역 코드
        뮤텍스(M)을 연다.
        
        V(W); // 세마포어 W에 대해 V/signal 연산을 수행하여 버퍼가 비기를 기다리는 Producer를 깨운다.
        
    }
}

생산자 스레드

Producer { 
	while(true) {
    	P(W); // 세마포어 W에 P/wait 연산을 수행하여 버퍼가 꽉 차 있으면(쓰기 가능한 버퍼 수=0) 대기
        
        뮤텍스(M)를 잠근다.
        공유버퍼에 데이터를 저장한다. // 임계구역 코드
        뮤텍스(M)을 연다.
        
        V(R); // 세마포어 R에 대해 V/signal 연산을 수행하여 버퍼에 데이터가 저장되기를 기다리는 Consumer를 깨운다.
     }
}