임계 구역(Critical Section)이란
다중 프로그래밍 운영체제에서 여러 프로세스가 공유하는 데이터 또는 자원에 대해 한 프로세스만 사용하도록 지정된 공유 자원을 말한다.
임계 구역에는 한 프로세스만 접근이 가능하고 한 프로세스가 자원을 반납한 후에만 다른 프로세스가 접근이 가능하다.
임계 구역은 한 프로세스가 독점해서는 아니하며 임계 구역에서의 작업은 신속하게 진행되어야 한다.
해당 문제를 해결하기 위해 상호 배제(Mutual Exclusion) 기법을 사용한다.
상호 배제(Mutual Exclusion)이란
어떤 프로세스가 공유자원을 액세스할 때 한 순간에 하나의 프로세스만 공유 자원을 사용할 수 있도록 하는 기법이다.
상호 배제는 4가지 요구 조건을 만족해야하며 그 요구 조건은 아래와 같다.
1. 두 개 이상의 프로세스들이 동시에 임계구역에 진입해서는 안된다.
2. 어떤 프로세스도 임계구역 진입이 무한 연기되면 안된다.
3. 임계구역에 진입한 프로세스가 다른 프로세스의 진입을 막을 수 있어야 한다.
4. 프로세스들의 상대적 속도에 대한 가정을 하면 안된다.
상호 배제 문제는 아래와 같은 알고리즘으로 해결이 가능하다.
- 잠금
하나의 프로세스가 임계구역을 점유한 후, 다른 프로세스가 접근할 수 없도록 잠금. - 인터럽트 봉쇄
임계구역이 사용 중일 때 모든 인터럽트가 발생하지 않도록 함. - 엄격한 교대
두 개의 프로세스가 하나의 임계구역에 교대로 한 번씩만 접근하는 방법.
하지만 위의 3가지 방법은 바쁜 대기(Busy wait) 문제가 있다. 대기 중인 프로세스가 계속해서 임계 구역에 진입을 시도하여 막히는 과정을 반복하게 되는 것인데, 이 바쁜 대기 현상이 증가하면 운영체제에 부담이 되어 시스템 전체 성능에 영향을 미친다. 이러한 문제를 해결하는 알고리즘으로 세마포어(Semaphore) 가 있다.
세마포어(Semaphore) 알고리즘
세마포어 알고리즘은 다익스트라가 제안하였으며 잠자기와 깨우기 연산을 이용하여 상호배제의 원리를 보장한다.
세마포어는 0과 1의 값을 가지며 한 개의 공유자원 상호 배제를 보장하는 이진형 세마포어,
0고 양의 정수 값을 가지며 여러 개의 공유자원 상호 배제를 보장하는 계수형 세마포어가 있다.
이를 실제로 구현한 프로그램으로 모니터(Monitor)가 있다.
