프로세스 동기화

Lee Jeong Min·2022년 4월 25일
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데이터의 접근

데이터를 읽어와서 연산을 해서 저장하는 방식에서는 프로세스 동기화 문제가 발생!

Race Condition

S-box를 공유하는 E-box가 여럿 있는 경우 Race Condition의 가능성이 있음

Race condition이 발생할 수 있는 상황

  • 멀티 프로세서 시스템
  • 공유메모리를 사용하는 프로세스들
  • 커널 내부 데이터를 접근하는 루틴들 간
    예: 커널모드 수행 중 인터럽트로 커널모드 다른 루틴 수행시

    유저레벨보다 커널모드에서 문제 발생 시, 문제가 더 심각함

OS에서 race condition은 언제 발생하는가?

  1. kernel 수행 중 인터럽트 발생 시

  2. Process가 system call을 하여 kernel mode로 수행 중인데 context switch가 일어나는 경우

  3. Multiprocessor에서 shared memory내의 kernel data

Kernel 수행 중 인터럽트 발생

커널모드 running 중 interrupt가 발생하여 인터럽트 처리루틴이 수행
➡️ 양쪽 다 커널 코드이므로 kernel address space 공유

위 그림에선 interrupt handler의 count--가 동작하지 않고 count++만 처리된 결과 값이 저장됨

해결방법으로 커널과 관련된 작업이 수행중일 땐, interrupt가 들어와도 수행시키지 않고 그 작업이 끝난 후에 수행하도록 해결함

Prcoess가 system call하여 kernel mode로 수행 중인데 context switch 발생

커널 코드 실행중에서(카운트 값 증가) 프로세스 B로 넘어간 상황

프로세스 B에서 요청한 count++이 반영되지 않고 A에서 요청한 count++만 반영됨

해결방법: 커널 모드에서 수행 중일 때는 CPU를 preempt하지 않고, 커널 모드에서 사용자 모드로 돌아갈 때 preempt

멀티프로세서인 경우

해결책

  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

n 개의 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.

프로그램적 해결법의 충족 조건

  • Mutual Exclusion(상호배제)

    • 프로세스 Pi가 critical section 부분을 수행 중이면 다른 모든 프로세슫르은 그들의 critical section에 들어가면 안된다.
  • Progress(진행)

    • 아무도 critical section에 있지 않은 상태에서 critical section에 들어가고자 하는 프로세스가 있으면 critical section에 들어가게 해주어야 한다.
  • 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

위 그림에서 turn은 critical section에 들어갈 차례를 나타내는 변수

그러나 위 코드는 progress 조건이 만족하지 않음

Algorithm 2

둘다 flag가 true인 상황에선 아무도 critical section에 접근할 수 없음
mutual exclusion는 만족하지만 progress 조건을 만족하지 않음

Algorithm 3(Peterson's Algorithm)

모든 조건 만족

그러나 Busy Waiting문제(=spin lock)를 가지고 있음(계속 CPU와 memory를 쓰면서 wait)

Synchronization Hardware

하드웨어적으로 Test & modify를 atomic하게 수행할 수 있도록 지원하는 경우 앞의 문제는 간단히 해결

Semaphores

앞의 방식들을 추상화시킴

P연산은 CPU 자원을 획득하는 과정 V연산은 반납하는 과정

Critical Section of n Processes

하지만 이 방식은 busy-wait이며, 이는 효율적이지 못함(=spin lock)

➡️ Block & Wakeup 방식의 구현(=sleep lock)

Block / Wakeup Implementation

block과 wakeup을 다음과 같이 가짐

  • block

    커널은 block을 호출한 프로세스를 suspend 시킴
    이 프로세스의 PCB를 semaphore에 대한 wait queue에 넣음

  • wakeup(P)

    block된 프로세스 P를 wakeup시킴
    이 프로세스의 PCB를 ready queue로 옮김

S 값이 음수이면 누군가가 자원을 기다리고 있다는 의미 -> wakeup 시켜주어야함

Which is better?

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 오버헤드(while문 안의 코드)보다 더 커질 수 있음
  • 일반적으로 Block/wakeup을 사용하는 것이 더 좋음

Two Types of Semaphores

  • Counting semaphore
    • 도메인이 0 이상인 임의의 정수값
    • 주로 Resource counting에 사용
  • Binary semaphore(=mutex)
    • 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

각 프로세스가 얻어야하는 자원이 다른경우 (S와 Q) 0번 프로세스에서는 S를 얻고, 1번 프로세스에선 Q를 얻었을 때, 데드락이 발생할 수 있음
➡️ 이런 경우 각 프로세스마다 얻어야하는 자원의 순서를 맞추어 줌으로써 해결할 수 있음

Starvation

  • indefinte blocking. 프로세스가 suspend된 이유에 해당하는 세마포어 큐에서 빠져나갈 수 없는 현상

Classical Problems of Synchronization

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

해결책

  • 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 접근 중이면 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 코드의 mutual exclusion 보장을 위해 사용
  • db // Reader와 writer가 공유 DB 자체를 올바르게 접근하게 하는 역할

starvation 발생이 가능(writer가 계속 기다릴 가능성 있음)

Dining-Philosophers Problem

이 solution의 문제점

  • Deadlock의 가능성이 있다
  • 모든 철학자가 동시에 배가 고파져 왼쪽 젓가락을 집어버린 경우

해결 방안

  • 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

두 번째 해결방안을 코드로 구현한 결과
약간의 세마포어의 철학과는 잘 맞지 않음 → 세마포어는 기본값을 특정 값으로 준다음 그것을 낮추면서 사용하는 것인데 여기선 초기 값을 0으로 두고 시작

Monitor

Semaphore의 문제점

  • 코딩하기 힘들다
  • 정확성의 입증이 어렵다
  • 자발적 협력이 필요하다
  • 한번의 실수가 모든 시스템에 치명적 영향

모니터란 동시 수행중인 프로세스 사이에서 abstract data type의 안전한 공유를 보장하기 위한 high-level synchronization construct

아래 그림은 모니터 구조

  • 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;

세마포어 변수처럼 비슷한 역할을 해주는 것이 condition variable

Condition variablewaitsignal 연산에 의해서만 접근 가능
x.wait()
x.wait()을 invoke한 프로세스는 다른 프로세스가 x.signal()을 invoke하기 전까지 suspend된다.

x.signal()
x.signal()은 정확하게 하나의 suspend된 프로세스를 resume한다. Suspend된 프로세스가 없으면 아무 일도 일어나지 않는다.

모니터 버전으로 해결한 Bounded-Buffer Problem

모니터 코드가 더 추상화 되어 있어서 세마포어보다 훨씬 이해하기 쉬움!

모니터 버전으로 해결한 Dining Philosophers Example

참고사이트

http://www.kocw.net/home/cview.do?cid=3646706b4347ef09

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