✅동기화
병행 수행 중인 비동기적 프로세스들이 공유자원에 동시에 접근하게 된다면 문제가 발생할 수 있는데요, 이를 위해 필요한 것이 동기화입니다.
❌경쟁상태
여러 프로세스들이 동시에 데이터에 접근하는 상황에서, 어떤 순서로 데이터에 접근하느냐에 따라 결과 값이 달라질 수 있는 상황을 말합니다.
공유 데이터의 동시접근은 데이터의 불일치 문제를 발생시킬 수 있습니다.
따라서 경쟁상태를 막고 일관성을 유지하기 위해서는 협력 프로세스 간의 실행 순서를 정해주는 메커니즘인 동기화가 필요합니다.
- 일어날 수 있는 경우
- 커널모드로 수행 중 인터럽트가 발생하는 경우
- 프로세스가 시스템 콜을 호출해서 커널모드로 수행 중인데 Context Switch가 발생하는 경우
- 멀티 프로세서에서 공유메모리 내의 커널 데이터에 접근하는 경우
❌임계구역 (Critical Section)
코드 상에서 경쟁상태가 발생할 수 있는 특정 부분을 말합니다. 즉, 공유데이터를 접근하는 코드 부분을 말합니다.
- 해결방법
상호배제: 한 프로세스가 임계영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없습니다.한정대기: 특정 프로세스가 영원히 임계영역에 들어가지 못하면 안됩니다.진행: Critical Section에서 작업 중인 프로세스가 없다면, Critical Section에 진입하고자 하는 프로세스가 존재하는 경우 진입할 수 있어야 한다.
이 세가지 조건들을 만족해야합니다.
이때 사용되는게 동기화 알고리즘이 있습니다
▶동기화 알고리즘
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현재 임계구역에 들어갈 프로세스가 어떤 프로세스인지를 한 변수로 나타내어 일치하는 프로세스만 진입하도록 하는 단순한 방식입니다. 하지만 이 알고리즘은 상호배제는 만족하는데 progress는 만족하지 못합니다.
- 예를 들어 한 프로세스가 remainder section 수행시간이 매우 길어서 여전히 remainder section에서 수행중이고, 두번째 프로세스가 수행을 한번 마치고 임계구역으로 진입하려고 할때 턴이 아직 오지 않아 진입할 수 없게 됩니다. 그렇게 임계구역에는 아무런 프로세스가 존재하지 않게 되죠.
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특정 프로세스가 임계구역에 진입할 준비가 되었다는 것을 나타내는 변수를 두어, 다른 프로세스가 임계구역에 진입하려고 한다면 현재 프로세스는 기다리게하는 방법입니다. 근데 이것도 진행 조건을 만족하지 못합니다.
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**페테르송 알고리즘**- 1,2의 알고리즘을 합친 알고리즘입니다.
- Pi 프로세스에 대해서, Pi는 flag[i] = true로 바꾸면서 Critical Section에 진입하려고 한다. 그리고 turn = j로 바꿔주면서 상대방이 들어가게 한다. 만약 상대방이 들어가고 싶고 (flag[j] == true), 현재 상대방이 Critical Section에 들어가 있으면 (turn == j) 기다린다. 그렇지 않으면 Pi가 들어간다.
임계구역을 해결하는 모든 조건을 만족하지만 임계구역의 진입을 계속 기다리면서 CPU와 메모리를 사용하는 Busy Waiting의 문제점이 있습니다.
▶소프트웨어적으로 임계구역 해결하기
✔뮤텍스
뮤텍스는 공유자원을 사용하기 전에 설정하고 사용한 후에 해제하는 잠금입니다.
잠금이 설정되면 다른 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없습니다. 또한 뮤텍스는 하나의 상태만 가집니다.
✔세마포어
세마포어는 일반화된 뮤텍스입니다.
- 간단한 정수 값과 두가지 함수 wait 및 signal로 공유 자원에 대한 접근을 처리합니다.
- wait()는 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수이며, signal()은 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수입니다.
즉, 프로세스가 공유자원에 접근하면 세마포어에서 wait()작업을 수행하고 프로세스가 공유자원을 해제하면 세마포어에서 signal()작업을 수행합니다.
세마포어에는 조건 변수가 없고 프로세스가 세마포어 값을 수정할 때 다른 프로세스는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없습니다.
✔모니터
모니터는 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공합니다.
모니터는세마포어보다 구현하기 쉬우며모니터에서 상호배제는 자동인 반면에,세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야한다는 차이가 있습니다.
❌고전 동기화 문제
✔식사하는 철학자들 문제
테이블에 앉은 철학자는 자신의 양쪽에 놓인 수저를 집어야 식사가 가능하다. 근데 만약 동시에 자신의 왼쪽에 있는 수저를 잡는다면? 모두가 아무것도 할 수 없는 deadlock 교착상태가 발생한다.
- 세마포 해결안
- 최대 4명의 철학자만이 테이블에 앉을 수 있도록 한다.
- 한 철학자가 젓가락 두 개를 모두 집을 수 있을 때만 젓가락을 집도록 허용한다. (임계구역 안에서만 젓가락을 집을 수 있다.)
- 홀수 번호의 철학자는 왼쪽 젓가락을 먼저 집고 다음에 오른쪽 젓가락을 집는다. 짝수는 반대로 한다. 이를 비대칭 해결안 이라고 한다.
**교착 상태를 해결한다고 해서 기아 상태를 해결하는 것은 아님을 주의하자.**