5. 병행 프로세스와 동기화

holim0·2021년 1월 4일
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오늘은 병행 프로세스와 동기화에 대해서 알아보겠습니다.


각 내용에 들어가기 전 **병행(Concurrent)**의 의미에 대해서 정확히 알고 가야합니다.

병행은 말 그래도 같이 존재하고 있다는 뜻으로 메모리에 다수의 프로세스가 같이 존재한다는 것과 같습니다.

1. 병행 프로세스

✅ 프로세스 여러 개가 동시에 실행되는 것을 의미합니다.

문제점

  • 공유 자원의 상호 배타적인 사용
  • 하나의 기능을 공통적으로 사용하는 두 프로세스 간의 동기화 문제
  • 자료 교환을 위한 통신 문제
  • 교착상태 문제(deadlock)

2. 상호배제(Mutual Exclusion)

프로세스들이 공유 데이터에 대해 서로 접근을 시도하는 상황을 **경쟁 상태(Race Codition)**라고 합니다.

이런 경쟁 상태 속에서 상호배제, 교착상태(Deadlock), **기아(Starvation)**와 같은 문제들이 발생합니다.

<출처: http://sqlmvp.tistory.com/176>

➡️ 두 개 이상의 프로세스가 동시에 사용할 수 없는 자원을 **임계자원(Critical Resource)**라고 합니다. 그리고 이에 대해 접근하고 실행하는 프로그램 내의 코드 부분을 **임계영역(Critical Section)**이라고 합니다.

임계영역의 성공적인 실행을 위해서는 우선적으로 상호배제가 지켜져야 합니다.


3. 상호배제를 위한 소프트웨어 기법

✅ 우선 parbegin/parend 구조부터 살펴보겠습니다.

1: parbegin
2:    statement_1
3:    statement_2 
4:    ...
5:    statement_n
6: parend

➡️ parbegin 과 parend 사이에 존재하는 n 개의 문장들이 동시에 수행될 수 있다는 것을 뜻합니다.

단일 처리기 시스템의 경우면 각 문장의 수행 순서를 임의로 해도 되고 다중 처리기의 경우에는 각 문장을 병렬적으로 실행하겠다는 뜻이 됩니다.

Peterson 알고리즘

✅ 두 프로세스 간의 상호배제를 해결한 알고리즘입니다.

  • 전역변수 flag[0]과 flag[1]의 초기값은 false 입니다.

Bakery 알고리즘

✅ n개의 프로세스들을 대상으로 하는 상호배제 알고리즘입니다.

  • 임계 영역을 빠져 나왔을 때 자신의 값을 0으로 해줌으로써 다른 프로세스가 임계영역에 진입할 수 있도록 해줍니다.

**임계영역의 진입을 막기 위해서 while문을 계속해서 돌리는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 CPU가 가동 중이지만 유용한 곳에 사용되지 못하는 것입니다. **

이런 현상을 바쁜 대기(Busy Wait) 또는 스핀락(Spinlock)이라고 합니다.



4. 상호배제를 위한 하드웨어 기법

인터럽트 금지를 사용한 기법


while(true) do
    	.
	.
    
	Interrupt Disable;
    	<critical section>
    	Interrupt Enable;
        
    	.
	.

endwhile;
  • 임계영역 처리 동안 모든 종류의 인터럽트를 금지시킵니다.

하드웨어 명령어를 사용한 기법

기계명령어인 testandset과 exchange 명령어에 대해서 먼저 살펴봅니다.

[testandset]

[exchange]

➡️ 기계명령어로서 원자적으로 실행 도중 끊김 없이 완료되는 연산입니다.(Indivisable)


<testandset과 exchange를 사용한 상호배제>

1. testandset

2. exchange



5. 세마포어(Semaphore)

✅ 세마포어는 세 개의 특수한 명령들만 접근할 수 있게 허용되는 보호된 변수입니다.

  • 0과 1읠 이진 값만을 가진다면 이진(Binary) 세마포어라고 합니다.
  • 음이 아닌 모든 정수가 될 수 있으면 계수(Counting) 또는 정수(Integer) 세마포어라고 합니다.

[Block and wakeup 방식]

P(S): if (S>0) then S = S-1;
	       else S > 0 조건이 만족될 때까지 큐에서 대기; 

V(S): if(큐에서 대기 중인 프로세스들이 존재)
		then 그 중의 한 프로세스를 준비 또는 실행 상태로 만듦;
		else S=S+1;

[Busy-Wait 방식]

P(S){

    while(S<=0); // Busy-wait //	
    S--;

}

V(S){

    S++;
    
}

세마포어를 사용한 상호배제

const int n = /* 프로세스 개수 */;
semaphore s = 1;  // 이진 세마포어

void process(int i) {
	while (true) {
    	P(s);
        
        /* 임계 영역(Critical Section)*/
        
        V(s);
        
        /* 임계 영역 이후 코드 */
    }
}

void main() {
	parbegin (P(1), P(2), ..., P(n));
}


6. 모니터(Monitor)

✅ 모니터란 공유 데이터들과 이 들에 대한 임계영역들을 관리하는 소프트웨어 구성체입니다.

👍 여기서 중요한 점은 언제나 모니터의 진입을 한 프로세스로 제한함으로써, 상호배제를 자연스럽게 실현하게 됩니다.

  • 모니터에서는 조건변수(Conditional Variable)를 선언하고, 조건의 대기를 위해 **cwait()**를, 대기에서 깨어나기 위해 **csignal()**을 제공합니다.

  • 조건변수는 모니터에서만 선언하고 사용하는 것으로 cwait()와 csignal()에 의해서만 접근됩니다.

  • cwait(c)는 이 연산을 호출한 프로세스를 조건 c의 큐에 대기시키고 다른 프로세스의 모니터 진입을 가능하게 합니다.

  • csignal(c)는 cwait(c)에 의해 대기되었던 프로세스를 재개시키고 자신은 신호자 대기 큐로 비켜줍니다.


마무리

오늘은 상호배제 기법, 세마포어, 모니터에 대해서 알아보았습니다.

다음 시간에는 교착 상태(Deadlock)에 대해서 공부해보겠습니다. 😃

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매일 조금씩 성장하고 있는 개발자입니다.

2개의 댓글

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2021년 1월 4일

잘 읽었습니다 고생 많으셨어요👏🏻

1개의 답글