[운영체제] Ch6 스레드 동기화

박소미·2024년 12월 3일

운영체제

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6.1 스레드 동기화의 필요성

1. 문제 상황: 공유 데이터의 훼손

발생 가능성:
- 다수의 스레드가 동시에 공유 데이터에 접근 및 수정하면 데이터의 일관성이 깨질 수 있다.
주요 사례:
1. 두 스레드가 동시에 공유 데이터를 읽을 경우
  - 문제는 발생하지 않음(읽기-읽기 충돌 없음).
2. 한 스레드는 데이터를 쓰고, 다른 스레드는 데이터를 읽을 경우
  - 읽는 데이터가 불완전하거나 중간 상태일 가능성.
3. 두 스레드가 동시에 데이터를 쓰는 경우
  - 데이터가 훼손되거나, 의도하지 않은 값으로 변경될 위험.
예시:
- 회원의 은행 회비 계좌에 여러 스레드가 동시에 접근하여 입출금 작업을 수행하는 경우, 정확하지 않은 잔액이 기록될 수 있음.

2. 스레드 동기화(Thread Synchronization)

정의:
- 공유 데이터의 일관성을 유지하기 위해 다수의 스레드가 접근할 때 특정 규칙을 적용하는 기법.
- 배타적 독점(Mutual Exclusion)을 통해 데이터 접근을 순서대로 처리.
목적:
- 공유 데이터가 훼손되지 않도록 보호.
- 스레드 간 작업 순서 보장

📌공유 집계판에 동시에 접근하는 사례

1. 문제 상황

상황: 학생들이 집계판에 10씩 더하는 작업을 수행.
동시 접근 문제:
1. 학생 A와 학생 B가 동시에 방에 들어와 집계판의 데이터를 수정.
2. 두 학생이 50에서 시작하여 각각 60으로 계산.
3. 결과적으로 집계판에는 잘못된 값(60)이 기록됨.
이슈:
- 경쟁 상태(Race Condition) 발생.
- 두 스레드(학생)가 동시에 데이터를 수정하면서, 이전 작업 결과가 손실.

2. 해결 방법

배타적 접근(Mutual Exclusion):
- 한 번에 하나의 작업만 수행하도록 조정.
- 예시: 학생 A가 작업을 완료한 후 학생 B가 들어와 작업을 시작.
정상 동작:
1. 학생 A가 60을 기록하고 방을 나감.
2. 학생 B가 60을 읽은 후 70으로 계산하여 기록.

📌공유 집계판 문제를 프로그램으로 작성

1. 코드 모델

참여자:
- 두 학생 = 스레드 T1, T2
- 공유 집계판 = 공유 변수 sum
계산식:

    sum = sum + 10;

현재 sum 값에 10을 더한 결과를 다시 sum에 저장.

2. 문제 상황

공유 변수 접근 과정:
- 각 스레드(T1, T2)는 다음 단계를 독립적으로 실행:
  1. sum 값을 읽어 레지스터에 저장.
  2. 레지스터에 10을 더함.
  3. 계산된 결과를 sum에 저장.
문제 발생:
- T1과 T2가 동시에 sum을 읽는 경우, 동일한 값을 기반으로 계산.
- 두 스레드가 계산한 결과가 덮어쓰여, 최종적으로 잘못된 값 저장.

3. 어셈블리 코드 해석

동작 과정:
1. mov ax, sum : 공유 변수 sum을 ax 레지스터로 복사.
2. add ax, 10 : ax 값에 10을 더함.
3. mov sum, ax : 계산된 값을 다시 sum에 저장.
문제:
- 두 스레드가 동시에 mov ax, sum을 실행하면, 동일한 초기 값을 읽게 됨.
- 이후 연산 결과가 충돌하며, 최종 sum 값이 예상과 다르게 기록됨.

📌T1과 T2 스레드가 공유 변수 `sum`에 동시에 접근할 때 발생하는 문제

1. 문제 상황

T1과 T2 스레드는 공유 변수 sum에 각각 10을 더하는 작업을 수행.
두 스레드가 동시에 sum을 수정하려 할 때, 결과가 의도한 값(70)이 아닌 잘못된 값(60)으로 기록될 수 있음.

2. 문제 발생 과정

(a) T1 실행 중단

T1이 sum 값을 읽어 레지스터(ax)에 저장.
- 현재 sum = 50.
- ax = 50으로 설정.
T1의 실행이 타이머 인터럽트로 중단되고, CPU는 T1의 상태를 TCB1(Task Control Block 1)에 저장.

(b) T2 실행

CPU가 T2를 스케줄링.
T2는 sum을 읽고 60으로 계산한 뒤, 결과를 sum에 저장.
- 현재 sum = 60.

(c) T1 재개

T1이 다시 실행되고, 이전에 저장된 상태(TCB1)를 복원.
레지스터에 남아 있던 값 ax = 50을 기반으로 sum = 60으로 다시 계산하고 저장.
- 최종적으로 sum 값이 60으로 덮어씌워짐.

3. 결과 및 문제점

의도한 결과:
- T1과 T2가 각각 10을 더해 70이 되어야 함.
실제 결과:
- 동시성 문제로 인해 최종 값이 60으로 잘못 기록됨.

4. 주요 원인

공유 자원 동시 접근:
- T1과 T2가 동일한 sum 값을 읽고 수정 작업을 수행.
타이머 인터럽트:
- T1이 작업을 마치지 못한 상태에서 T2가 작업을 시작.

📌공유 데이터 접근 문제와 해결책

1. 문제점

여러 스레드가 공유 변수에 접근할 때 데이터 무결성이 훼손될 수 있음.
- 스레드 간의 동시 접근으로 인해 데이터 충돌이 발생.
- 결과적으로 의도하지 않은 값이 기록될 가능성.

2. 해결책 - 스레드 동기화(Thread Synchronization)

핵심 아이디어:
- 한 스레드가 공유 데이터를 사용하는 동안 다른 스레드가 접근하지 못하도록 제한.

3. 멀티스레드의 경쟁 상황은 얼마나 자주 발생하는가?

매우 자주 발생:
1. 사용자 프로그램:
  - 멀티스레드를 사용하는 사용자 애플리케이션에서 빈번히 발생.
2. 커널 코드:
  - 운영체제의 커널 레벨에서 경쟁 상황이 자주 나타남.
3. 다중 코어 환경:
  - 현대의 다중 코어 프로세서 환경에서는 스레드 간의 충돌 가능성이 더욱 높아짐.

📌임계구역과 상호배제

1. 임계구역(Critical Section)

정의: 공유 데이터에 접근하는 코드 블록.
목적: 공유 데이터를 보호하고 데이터의 무결성을 보장.
예시: sum = sum + 10;와 같은 코드가 공유 데이터에 접근하는 경우.

2. 상호배제(Mutual Exclusion)

정의: 임계구역을 한 번에 한 스레드만 접근하도록 보장하는 원칙.

3. 적용 예시

T1과 T2의 임계구역 접근:
- T1: 임계구역(sum = sum + 10;) 실행 중.
- T2: T1이 작업을 마칠 때까지 대기 → 상호배제 성공.

4. 공통 활용 사례

은행 시스템: 계좌 잔액을 업데이트할 때 발생할 수 있는 동시성 문제 해결.
파일 시스템: 여러 스레드가 동일한 파일에 쓰기를 시도하는 경우.

6.2 상호 배제 (mutual exclusion

📌상호 배제를 포함하는 전형적인 프로그램 구성

1. 일반 코드 (Non-critical Code)

정의: 공유 데이터를 액세스하지 않는 코드 블록.
특징:
- 임계구역 외부에서 실행.
- 동기화가 필요하지 않음.

2. 임계구역 진입 코드 (Entry Code)

정의: 임계구역에 들어가기 전 필요한 코드 블록.
기능:
- 현재 임계구역을 사용하는 스레드가 있는지 확인.
- 다른 스레드의 접근을 방지하여 상호 배제를 구현.
- 임계구역이 비어 있으면 진입, 그렇지 않으면 대기.

3. 임계구역 코드 (Critical Code)

정의: 공유 데이터에 접근하거나 조작하는 코드 블록.
중요성:
- 상호 배제를 보장하여 데이터 무결성을 유지.
- 단일 스레드가 실행하도록 제한.

4. 임계구역 진출 코드 (Exit Code)

정의: 임계구역을 나갈 때 실행되는 코드 블록.
역할:
- 대기 중인 스레드가 임계구역에 접근할 수 있도록 해제.
- 다음 스레드가 안전하게 임계구역에 접근할 수 있도록 상태 초기화.

프로그램 흐름

일반 코드 실행.
임계구역 진입 코드 실행 → 임계구역 진입 여부 확인.
임계구역 코드 실행 → 공유 데이터 접근.
임계구역 진출 코드 실행 → 진입 잠금 해제.
다시 일반 코드로 돌아감.

📌상호 배제 구현

상호 배제 구현 목표

임계구역에 오직 한 개의 스레드만 진입하도록 보장.
- 동시 접근 시 데이터 무결성 유지.

상호 배제 구현 방법

소프트웨어적 방법
- Peterson's 알고리즘 등.
- 소프트웨어 단에서 동기화 논리를 구현.
하드웨어적 방법
- 하드웨어의 도움을 받아 동기화를 구현.
- 효율적이며, 복잡한 동기화 문제를 해결.

하드웨어적 방법

인터럽트 서비스 금지
- 한 스레드가 실행 중일 때 인터럽트를 비활성화.
- 간단하지만 다중 CPU 환경에서는 비효율적.
원자 명령 (Atomic Instruction) 사용
- CPU 명령으로 상호 배제를 보장.
- 원자 명령 예:
  - Test-and-Set (TAS).

📌상호 배제 구현 방법 1 – 인터럽트 서비스 금지

방법 설명

인터럽트 서비스 금지 방법은 특정 임계구역 코드 실행 중 인터럽트를 비활성화하여, 다른 스레드가 CPU를 점유하지 못하도록 함.
- entry 코드: 인터럽트 금지 명령 실행 (cli - clear interrupt flag).
- exit 코드: 인터럽트 허용 명령 실행 (sti - set interrupt flag).

동작 과정

임계구역 진입 시:
- cli 명령어를 통해 인터럽트를 비활성화.
- 다른 작업이나 스레드가 개입하지 못하게 함.
임계구역 종료 시:
- sti 명령어를 통해 인터럽트를 다시 활성화.
- 정상적인 인터럽트 처리 가능.

문제점

모든 인터럽트가 무시됨:
- 인터럽트가 금지되면 긴급한 시스템 작업도 처리되지 못할 가능성이 있음.
- 시스템 전반적인 성능 저하 발생.
멀티 코어 환경에서 비효율적:
- 다중 CPU를 사용하는 현대 시스템에서 한 코어에서의 cli가 다른 코어에는 영향을 미치지 않음.
- 동기화가 제대로 이루어지지 않을 수 있음.

📌인터럽트를 금지하지 않은 경우와 금지한 경우의 차이

1. 인터럽트를 금지하지 않은 경우

문제 발생 과정:
1. T1이 임계구역 실행 중: T1 스레드가 임계구역의 코드를 실행.
2. 인터럽트 발생: T1이 실행 중 인터럽트가 발생하여 CPU가 인터럽트 서비스 루틴으로 전환.
3. T2 스케줄링: T2 스레드가 임계구역에 진입.
4. 임계구역 충돌: T1과 T2가 동시에 임계구역 코드를 실행하게 되어 데이터 충돌 발생.

2. 인터럽트를 금지한 경우

문제 해결 과정:
1. T1이 임계구역 실행 중: T1 스레드가 cli 명령어를 통해 인터럽트를 금지하고 임계구역 코드를 실행.
2. 인터럽트 발생 무시: CPU는 인터럽트를 무시하며 T1이 임계구역 실행을 완료할 때까지 진행.
3. 임계구역 종료: T1이 sti 명령어로 인터럽트를 허용하며 임계구역 실행 종료.
4. T2 스케줄링: 이후 T2가 스케줄링되어 임계구역에 진입.

차이점

인터럽트를 금지하지 않은 경우:
- 스레드 간 동기화 문제가 발생하여 데이터 손상이 생길 가능성이 높음.
인터럽트를 금지한 경우:
- 단일 스레드만 임계구역 코드를 실행하도록 보장하여 동기화 문제를 방지.

📌단순 Lock 변수를 이용한 상호배제 시도

목표

임계구역에 진입할 때 Locking/Unlocking 방식으로 상호배제를 구현하고자 함.

Lock 변수의 동작 방식

Lock 변수의 초기값: 0 (열린 상태)
- Lock = 0: 진입 가능.
- Lock = 1: 다른 스레드가 이미 임계구역을 점유 중임.
Entry 코드 (Locking):
- Lock 변수를 읽고, 1로 설정.
- 이전 Lock 값이 0인지 확인.
  - 0이면 임계구역 진입.
  - 1이면 다른 스레드가 점유 중이므로 대기.
Exit 코드 (Unlocking):
- 임계구역 실행 종료 후 Lock 변수를 0으로 재설정.

코드 구현 예제

Entry 코드:

l1: mov ax, lock    ; lock 변수를 읽음
    mov lock, 1     ; lock 변수에 1 저장
    cmp ax, 0       ; 이전 lock 값이 0인지 비교
    jne l1          ; 0이 아니면 다시 점검 (대기)

임계구역 코드:
- 임계구역의 주요 작업 수행.
Exit 코드:

mov lock, 0     ; lock 변수를 0으로 해제

문제점

경쟁 상태 (Race Condition):
- Lock 값을 읽고 쓰는 과정이 두 스레드에서 겹치면 동시 접근 문제 발생 가능.
- 예: T1과 T2가 동시에 mov ax, lock을 실행하면, 둘 다 0으로 판단하여 임계구역에 동시 진입.

결론

단순 Lock 변수로 상호배제를 구현하면 경쟁 상태를 해결하지 못함.
해결책:
- 하드웨어적인 도움 (원자 명령, Test-and-Set 명령 등)

📌Lock 변수를 사용한 상호배제 성공 사례

프로세스 흐름

T1의 임계구역 진입:
- T1이 mov ax, lock을 실행해 lock 값을 읽음.
- lock 값이 0이므로 mov lock, 1을 실행하여 lock 값을 1로 설정.
- cmp ax, 0에서 lock이 0이 아니므로 임계구역에 진입.
T1 실행 중단 및 T2 대기:
- T1이 임계구역을 실행하는 도중 CPU 스케줄러가 T2로 스위칭.
- T2가 mov ax, lock으로 lock 값을 읽음. lock 값은 1.
- T2는 lock 값이 0이 될 때까지 jne l1로 대기.
T1 임계구역 종료 및 lock 해제:
- T1이 임계구역 실행을 종료하고 lock 값을 0으로 설정 (mov lock, 0).
T2의 임계구역 진입:
- T2가 lock 값이 0이 된 것을 감지하고 mov lock, 1로 설정.
- T2는 임계구역에 진입하여 실행.

성공적인 상호배제:
- T1과 T2는 lock 변수의 상태를 바탕으로 번갈아 가며 임계구역에 진입.
- lock 값이 0에서 1로 변경되고, 다른 스레드는 lock 값이 0이 될 때까지 대기.
장점:
- 단순한 구조로 임계구역 접근을 제어 가능.
- 한 스레드가 임계구역을 완료할 때까지 다른 스레드는 대기.
제한점:
- lock 변수 조작 과정에서 원자성 보장이 필요.
- 경쟁 상태(race condition)가 발생할 경우 제대로 작동하지 않을 가능성.

📌Lock 변수를 사용한 상호배제 실패 사례

실패 상황의 흐름

T1 시작 및 Lock 변수 읽기:
- T1이 mov ax, lock으로 lock 값을 읽음.
- lock 값은 0이며, T1은 lock 값을 1로 변경하려고 준비.
T1 중단 및 T2 시작:
- T1이 lock 값을 1로 설정하기 전에 CPU 컨텍스트가 T2로 스위칭.
- T2가 mov ax, lock을 실행하여 lock 값(0)을 읽음.
- T2는 lock 값을 1로 설정하고 임계구역에 진입.
T2 중단 및 T1 재개:
- T2가 lock 값을 1로 설정한 상태에서 CPU가 다시 T1으로 스위칭.
- T1은 이전에 읽어둔 lock 값(0)을 기반으로 lock 값을 1로 변경.
- 결과적으로 T1과 T2가 동시에 임계구역에 진입하는 충돌 상황 발생.

실패 원인 분석

Race Condition:
- T1과 T2가 lock 값을 동시에 읽고, lock 값을 설정하는 과정에서 경쟁이 발생.
- Lock 변수 조작이 원자적이지 않아서 두 스레드가 동일한 lock 상태를 기준으로 동작.
Non-Atomic Operation:
- mov ax, lock → mov lock, 1 → cmp ax, 0 이 3단계로 나뉘어 실행.
- 각 단계 사이에 컨텍스트 스위칭이 발생하면서 데이터 불일치 문제가 발생.

📌상호배제 구현 방법 2: 원자명령(Atomic Instruction) 사용

문제점: Lock 변수 사용 실패의 원인

컨텍스트 스위칭 발생:
- 두 명령어 (mov ax, lock → mov lock, 1) 사이에 컨텍스트 스위칭이 발생.
- Lock 변수 값을 읽은 상태에서 다른 스레드로 전환되면서 상호배제가 실패.

명령어 실행 순서 문제:
- Lock 값을 읽고 수정하는 작업이 여러 단계로 나뉘어 처리됨.
- 이로 인해 명령어가 완료되기 전에 다른 스레드가 임계구역에 진입할 수 있음.

해결책: 원자명령(Atomic Instruction) 도입

원자적 실행 보장:
- 여러 단계의 명령을 하나의 연산으로 처리.
- 컨텍스트 스위칭이 중간에 발생하지 않도록 보장.
TSL(Test and Set Lock) 명령어:
- 원자적으로 lock 값을 읽고 수정.
- TSL ax, lock:
  - Lock 값(현재 상태)을 읽어 ax 레지스터에 저장.
  - 동시에 lock 값을 1로 변경하여 다른 스레드의 접근을 방지.

TSL(Test and Set Lock) 동작 방식

T1 실행:
- TSL ax, lock 실행.
- Lock 값을 읽어 ax에 저장하고, lock 값을 1로 설정.
T2 대기:
- T2가 TSL 실행을 시도하지만, lock 값이 이미 1로 설정되어 있음.
- T2는 lock 값이 0으로 변경될 때까지 대기.
T1 종료 및 Lock 해제:
- T1이 작업을 완료하고 lock 값을 0으로 변경.
- T2는 lock 값을 읽고 임계구역에 진입.

📌임계구역의 entry/exit 코드를 원자명령으로 재작성

(a) 기존 코드: 상호배제 실패

구성
1. mov ax, lock: Lock 값을 읽음.
2. mov lock, 1: Lock 값을 1로 설정.
3. cmp ax, 0: Lock 값이 0인지 비교.
4. jne l1: Lock 값이 0이 아니면 점프.
문제
- 두 명령 (mov ax, lock → mov lock, 1) 사이에 컨텍스트 스위칭이 발생할 가능성.
- 이로 인해 두 스레드가 동시에 임계구역에 진입하는 상황(상호배제 실패) 발생.

(b) 원자명령 TSL(Test and Set Lock)을 사용하여 상호배제 성공

구성
1. TSL ax, lock:
  - Lock 값을 읽고 ax에 저장.
  - 동시에 Lock 값을 1로 설정 (원자적 수행).
2. cmp ax, 0: 이전 Lock 값이 0인지 확인.
3. jne l1: Lock 값이 0이 아니면 점프.
동작 원리
- 원자명령 TSL은 여러 명령어를 하나의 연산으로 처리하여 컨텍스트 스위칭 발생 가능성을 제거.
- Lock 값이 1이면 다른 스레드는 임계구역에 진입하지 못하고 대기.

출구(exit) 코드

mov lock, 0:
- Lock 값을 0으로 설정하여 다른 스레드가 임계구역에 진입할 수 있도록 허용.

6.3 멀티스레드 동기화 기법

📌멀티스레드 동기화

멀티스레드 동기화란?

정의: 상호배제(Mutual Exclusion) 기반에서, 여러 스레드가 자원을 원활히 공유하도록 하는 기법.
핵심 요소: 동기화 프리미티브(Synchronization Primitives)를 활용.

대표적인 기법

Locks 방식
- 뮤텍스(Mutex):
  - 단일 스레드만 임계구역에 진입할 수 있도록 Lock을 제공.
  - Lock을 소유한 스레드가 작업 완료 후 Lock 해제.
- 스핀락(Spinlock):
  - Lock이 풀릴 때까지 반복적으로 확인하며 대기.
  - CPU 자원을 소모하지만 Lock 대기 시간이 짧은 경우 유리.
Wait-Signal 방식
- 세마포(Semaphore):
  - 여러 자원을 관리하며, 한정된 자원 수(n개)를 m개의 멀티스레드가 공유.
  - 자원을 소유하지 못한 스레드는 대기(wait).
  - 자원을 반환하면 대기 중인 스레드에 신호(signal)를 보냄.

기법 비교

방식	사용 사례	특징
뮤텍스	단일 자원 보호	상호배제 보장, 단순한 구현
스핀락	Lock 대기 시간이 짧은 경우	CPU 자원 소모, 짧은 대기 적합
세마포	다중 자원 관리	여러 스레드에서 자원 할당 가능

📌뮤텍스(Mutex) 기법

개념

목적: 한 스레드만 임계구역에 진입할 수 있도록 보장.
대기 방식: 다른 스레드는 큐(queue)에 대기.
특징: Sleep-Waiting Lock 기법 사용.
- Lock이 해제될 때까지 스레드가 대기하며 CPU 자원을 소비하지 않음.

뮤텍스 기법의 구성 요소

락 변수 (Lock Variable)
- 임계구역에 대한 접근 제어 상태를 관리.
- 상태:
  - Locked (1): 다른 스레드가 접근 불가능.
  - Unlocked (0): 접근 가능.
대기 큐 (Waiting Queue)
- Lock이 설정된 상태에서 임계구역에 진입하지 못한 스레드들이 대기.
- 대기 순서대로 Lock 해제 후 진입.
연산 (Operations)
- Lock 연산 (Entry Code):
  - 임계구역 진입 전 Lock 변수 설정.
  - Lock이 설정되지 않은 상태(0)일 경우에만 Lock을 설정(1).
- Unlock 연산 (Exit Code):
  - 임계구역 실행 완료 후 Lock 변수 해제.

작동 흐름

Lock 요청: T1 스레드가 임계구역 진입을 위해 Lock 연산을 수행.
임계구역 실행: T1이 Lock을 획득하면 다른 스레드(T2, T3)는 큐에서 대기.
Unlock 수행: T1이 임계구역을 빠져나오며 Lock 해제 → 큐의 첫 번째 대기 스레드(T2)가 Lock을 획득.

📌뮤텍스를 활용한 스레드 동기화 과정

과정 설명

T1 스레드의 Lock 연산
- T1이 임계구역에 진입하기 위해 Lock 연산을 수행.
- 락 변수는 "잠김" 상태(1)로 변경됨.
- T1이 임계구역에 성공적으로 진입.
T2 스레드의 Lock 대기
- T2 스레드는 락 변수가 잠겨 있어 임계구역에 진입하지 못함.
- 대기 큐에서 대기 상태로 전환.
T1의 Unlock 연산
- T1이 임계구역에서 작업을 완료한 후 Unlock 연산 수행.
- 락 변수를 "열림" 상태(0)로 변경.
대기 큐에서 T2 스레드 깨우기
- T1이 락을 해제함으로써 대기 큐의 T2 스레드가 활성화됨.
- T2는 Lock 연산을 수행하고 임계구역에 진입.

핵심 요소

락 변수: 임계구역 접근 상태를 관리.
대기 큐: Lock 해제 시 대기 스레드를 관리.
Lock/Unlock 연산: 스레드가 임계구역을 안전하게 사용하도록 제어.

📌뮤텍스의 특징

뮤텍스를 활용한 동기화의 특징

효율적 임계구역 관리
- 임계구역 실행 시간이 짧을 경우 효율적.
- 불필요한 컨텍스트 스위칭을 방지하여 성능 향상.

POSIX 표준 라이브러리를 활용한 뮤텍스 동기화

뮤텍스 락 변수
- pthread_mutex_t lock; 선언으로 뮤텍스 락 생성.
뮤텍스 조작 함수
- pthread_mutex_init() : 뮤텍스 초기화.
- pthread_mutex_lock() : 뮤텍스 잠금 (Entry 코드).
- pthread_mutex_unlock() : 뮤텍스 해제 (Exit 코드).
- pthread_mutex_destroy() : 뮤텍스 제거.
대기 큐 관리
- POSIX pthread 라이브러리 내부에서 대기 큐 구현 및 관리.

뮤텍스를 활용한 코드 사례

pthread_mutex_t lock;                 // 뮤텍스 락 생성
pthread_mutex_init(&lock, NULL);      // 뮤텍스 초기화
...
pthread_mutex_lock(&lock);            // 임계구역 코드 시작
// 임계구역 코드
pthread_mutex_unlock(&lock);          // 임계구역 코드 종료
...
pthread_mutex_destroy(&lock);         // 뮤텍스 제거

📌스핀락(Spinlock) 기법

스핀락 기법의 특징

busy-waiting 방식
- 락을 획득할 때까지 반복적으로 확인하며 대기.
- 대기 큐를 사용하지 않아 단순한 구조.
뮤텍스와의 차이점
- 스핀락은 busy-waiting으로 인해 CPU 리소스를 지속적으로 사용.
- 대기 상태에서도 스레드가 스케줄링되며 반복문을 실행.
효율적인 사용
- 락 소유 스레드만 자원 배타적으로 사용 가능.
- 공유 자원이 적거나 짧은 시간만 락이 필요한 경우 적합.

스핀락 기법의 구성 요소

락 변수
- 락 상태를 나타내는 변수(0: 잠금 해제, 1: 잠금 상태).
연산
- lock 연산
  - 락이 풀릴 때까지 무한 루프를 돌며 락을 획득 시도.
- unlock 연산
  - 락을 해제하여 다른 스레드가 접근 가능하도록 설정.

장점

구현이 단순하며 대기 큐가 필요하지 않음.
임계구역 접근 시간이 짧을 경우 효율적.

단점

busy-waiting으로 인해 CPU 자원 낭비 가능.
긴 임계구역에서는 비효율적.

📌스핀락을 활용한 스레드 동기화 사례

T1의 동작 과정

락 획득 시도 (lock 연산)
- T1은 락 변수를 확인하여 임계구역에 진입 가능 여부를 확인.
- 락이 해제 상태라면 락을 획득하고 임계구역에 진입.
임계구역 실행
- T1은 임계구역에서 필요한 작업을 수행.
락 해제 (unlock 연산)
- 작업을 마친 후 락을 해제하여 다른 스레드가 임계구역에 접근할 수 있도록 함.

T2의 동작 과정

락 획득 시도 (lock 연산)
- T2는 락 변수가 잠금 상태라면 락이 해제될 때까지 busy-waiting 수행.
- 락이 해제되면 락을 획득하고 임계구역에 진입.
임계구역 실행
- T2는 임계구역에서 작업을 수행.

특징

busy-waiting:
- T2는 락을 획득하기 전까지 반복적으로 확인(바쁜 대기).
- 락이 해제되면 즉시 작업에 착수 가능.
락 상태 전환:
- 락 해제(unlock) 후 대기 중인 스레드(T2)가 즉시 락을 획득하고 작업을 시작.

📌스핀락의 특징

특징

Non-blocking 모델:
- 스핀락은 뮤텍스의 blocking 방식과 달리 busy-waiting을 통해 대기함.
- 락을 얻을 때까지 CPU를 계속 사용.
효율성:
- 단일 CPU(단일 코어) 환경에서 비효율적.
- 임계구역의 실행 시간이 짧을 경우 적합.
비효율성:
- 멀티코어나 CPU 스케줄링이 필요한 환경에서는 busy-waiting으로 인한 자원 낭비 가능.

POSIX 표준 라이브러리

스핀락을 사용하는 함수 및 변수는 POSIX 표준에 정의되어 있음.

스핀락 변수

pthread_spinlock_t lock;

스핀락 조작 함수

pthread_spin_init() : 스핀락 초기화.
pthread_spin_lock() : 스핀락 획득.
pthread_spin_unlock() : 스핀락 해제.
pthread_spin_destroy() : 스핀락 자원 해제.

코딩 사례

pthread_spinlock_t lock; // 스핀락 변수 생성
pthread_spin_init(&lock, NULL); // 스핀락 초기화

pthread_spin_lock(&lock); // 스핀락 획득
// 임계구역 코드
pthread_spin_unlock(&lock); // 스핀락 해제

📌뮤텍스와 스핀락의 적합한 사용 상황

락이 잡히는 시간이 긴 경우
- 뮤텍스(Mutex): 락을 오래 유지해야 할 경우 적합.
- 스핀락(Spinlock): 락 잡는 시간이 짧은 경우 효율적.
단일 CPU 시스템
- 뮤텍스(Mutex): 단일 CPU에서는 context switching 비용이 적으므로 적합.
멀티 코어 시스템
- 스핀락(Spinlock): 임계구역 코드가 짧아 CPU 낭비를 줄일 수 있는 경우 적합.
사용자 응용 프로그램 및 커널 코드
- 뮤텍스(Mutex): 사용자 응용 프로그램에서 일반적으로 사용.
- 스핀락(Spinlock): 커널 코드나 인터럽트 서비스 루틴처럼 빠른 처리 필요.
주의 사항
- 스핀락 사용 시 기아(Starvation) 문제가 발생할 가능성이 있음.

📌뮤텍스(Mutex)와 스핀락(Spinlock) 비교

구분	뮤텍스(Mutex)	스핀락(Spinlock)
대기 큐	있음	없음
블록 가능 여부	락이 잡혀 있으면 블록됨 (blocking)	락이 잡혀 있어도 블록되지 않고 계속 락 검사 (non-blocking)
lock/unlock 연산 비용	저비용	CPU를 계속 사용하므로 고비용
하드웨어 관련	단일 CPU에서 적합	멀티코어 CPU에서 적합
주 사용처	사용자 응용 프로그램	커널 코드, 인터럽트 서비스 루틴

📌세마포(Semaphore)란?

멀티스레드 간 공유 자원 관리 기법.
n개의 공유 자원을 다수의 스레드가 효율적으로 사용할 수 있도록 제어.

구성 요소

자원:
- n개의 공유 자원.
대기 큐:
- 자원이 부족할 때 스레드가 대기하는 큐.
카운터 변수:
- 사용 가능한 자원의 개수를 나타냄.
- 초기값: n (자원의 총 개수).
P/V 연산:
- P 연산 (wait 연산): 자원 요청 시 수행.
  - 자원 개수를 1 감소.
  - 자원이 부족하면 대기 큐에 스레드 추가.
- V 연산 (signal 연산): 자원 반환 시 수행.
  - 자원 개수를 1 증가.
  - 대기 중인 스레드가 있으면 큐에서 스레드 제거 후 실행.

📌세마포어의 필요성을 이해하기 위한 대여 시스템 사례

1. 세미나 실 대여 시스템

현실 시스템:
- 12개의 세미나 방 중 사용 가능한 방은 4개.
- 대기자 줄은 비어 있음.
소프트웨어 구현:
- 자원 인스턴스 12개로 모델링.
- 카운터 변수는 4로, 사용 가능한 방의 수를 나타냄.
- 대기 큐는 없음.

2. 화장실 대여 시스템

현실 시스템:
- 4개의 화장실 중 모든 칸이 사용 중.
- 대기자 2명이 줄을 서 있음.
소프트웨어 구현:
- 자원 인스턴스 4개로 모델링.
- 카운터 변수는 2, 현재 대기자 수를 나타냄.
- 대기 큐에는 T5, T6가 대기 중.

핵심 개념

세마포어는 공유 자원의 사용 가능 상태를 관리하여 여러 프로세스가 자원을 효율적으로 사용할 수 있도록 함.
카운터 변수:
- 양수: 사용 가능한 자원의 수.
- 음수: 대기 중인 프로세스 수.
대기 큐는 자원이 부족할 경우 접근을 조정함.

📌세마포가 필요한 상황

(a) 멀티스레드와 n개의 자원 풀

여러 개의 멀티스레드가 동시에 n개의 자원 풀에 접근하려는 상황을 설명.
자원 관리가 이루어지지 않으면 충돌이나 비효율적인 자원 사용이 발생할 수 있음.

(b) 세마포를 통한 자원 관리

세마포(semaphore)를 사용하여 멀티스레드가 자원을 원활히 사용하도록 제어.
작동 방식:
1. 세마포는 n개의 자원을 추적하는 카운터 역할을 함.
2. 스레드가 자원에 접근하려면 세마포에서 허가를 받아야 함.
3. 사용 가능한 자원이 없으면 스레드는 대기 큐에 대기.

세마포를 이용한 멀티스레드 자원 관리의 구조

설명

자원의 인스턴스 수:
- 4개의 자원이 존재.
- 총 4개의 스레드(T1, T2, T3, T4)가 각 자원을 할당받아 사용 중.
대기 중인 스레드:
- T5와 T6는 현재 자원이 없어 대기 큐에 대기 중.
카운터 변수:
- 자원의 사용 가능 상태를 나타냄.
- 음수인 경우: 대기 중인 스레드의 수를 의미.
- 현재 counter = -2: 대기 중인 스레드가 2개(T5, T6).

구조의 핵심

P 연산:
- 스레드가 자원을 요청할 때 수행.
- 자원이 없을 경우, 해당 스레드는 대기 큐에 추가.
V 연산:
- 스레드가 자원을 반환할 때 수행.
- 대기 중인 스레드가 있을 경우, 큐에서 제거 후 실행 가능 상태로 전환.
대기 큐:
- 자원이 부족할 경우 스레드들이 대기하는 공간.

실제 동작

T1~T4: 현재 자원을 사용 중.
T5, T6: 자원 반환(V 연산)이 발생하면 차례로 자원을 할당받아 실행.

특징

자원의 효율적 사용: 여러 스레드가 자원을 동시에 활용 가능.
대기 관리: 자원이 부족할 경우 큐를 통해 질서 있게 관리.
확장성: 자원 수와 대기 큐 크기를 조정하여 다양한 상황에 대응.

📌P 연산과 V 연산

세마포의 두 가지 종류

Sleep-wait 세마포
- 자원을 요청했지만 할당받지 못한 스레드는 대기 큐에 들어가 잠자기 상태로 전환.
- 자원이 반환되면 대기 큐에서 스레드를 깨워 자원을 할당.
Busy-wait 세마포
- 자원을 기다리는 동안 무한 루프로 자원의 생성을 계속 확인.
- 자원이 생길 때까지 CPU를 사용하며 대기.

P 연산 (Wait Operation)

Sleep-wait 방식:
- counter-- : 자원 요청 시 감소.
- if (counter < 0) : 자원이 없으면 대기 큐에 스레드를 삽입.

Busy-wait 방식:
- while (counter <= 0) : 자원이 생길 때까지 무한 루프.
- counter-- : 자원을 획득 시 감소.

V 연산 (Signal Operation)

Sleep-wait 방식:
- counter++ : 자원 반환 시 증가.
- if (counter <= 0) : 대기 큐에서 한 스레드를 깨움.
Busy-wait 방식:
- counter++ : 자원 반환 시 증가.

비교

Sleep-wait 세마포:
- 효율적. CPU를 낭비하지 않고 대기 큐를 통해 스레드를 관리.
- 사용 사례: 멀티스레드 환경에서 자원이 제한적이고, 대기 시간이 긴 경우.
Busy-wait 세마포:
- 비효율적. CPU를 계속 사용하여 자원 상태를 확인.
- 사용 사례: 짧은 대기 시간 또는 단일 CPU 환경.

📌세마포 활용을 위한 POSIX 표준 라이브러리

세마포 구조체

sem_t s;세마포 구조체로, 내부적으로 counter 변수와 대기 큐를 포함하여 자원 관리.

세마포 조작 함수

sem_init()
- 세마포 초기화 함수.
- 특정 자원 수(counter)로 초기화.
sem_destroy()
- 세마포 제거 함수.
- 사용이 끝난 세마포를 파괴하여 리소스 해제.
sem_wait()
- P 연산 (blocking call).
- Sleep-wait 방식으로 동작.
- 가용 자원이 없으면 대기 큐에서 잠자기 상태로 전환.
sem_trywait()
- P 연산 (non-blocking call).
- 가용 자원이 있다면 counter-- 후 0 반환.
- 자원이 없으면 -1 반환하며 대기하지 않음.
sem_post()
- V 연산.
- 자원을 반환하며 counter++.
- 대기 중인 스레드가 있다면 대기 큐에서 깨워 자원 할당.
sem_getvalue()
- 현재 세마포의 counter 값을 반환.
- 대기 큐 상태 확인 가능.

사용 예제

sem_t sem;                // 세마포 구조체 생성

sem_wait(&sem);           // P 연산. 자원 요청 (가용 자원이 없으면 대기).
// ... 자원 사용 ...
sem_post(&sem);           // V 연산. 자원 반환.

sem_destroy(&sem);        // 세마포 파괴.

📌카운터 세마포와 이진 세마포

1. 카운터 세마포 (Counter Semaphore)

여러 개의 자원을 관리.
Counter 변수로 관리하는 방식.예: 세마포의 counter가 n이라면 최대 n개의 스레드가 자원을 사용할 수 있음.

2. 이진 세마포 (Binary Semaphore)

한 개의 자원만을 관리하는 세마포.
뮤텍스(Mutex)와 기능적으로 유사.
Counter 값이 0 또는 1만 가질 수 있음.

이진 세마포 구성 요소

세마포 변수 S
- 0 또는 1 값을 가지며, 초기값은 1.
대기 큐
- 스레드 스케줄링 알고리즘이 필요.
- 자원이 사용 중일 때 대기하는 스레드가 큐에 저장됨.
두 가지 원자 연산
- wait 연산 (P 연산): 자원 요청.
- signal 연산 (V 연산): 자원 반환.

이진 세마포 특징

하나의 자원만을 관리하므로 간단한 동기화에 적합.
뮤텍스와 달리 소유권 개념이 없음.(뮤텍스는 소유한 스레드만 잠금을 해제할 수 있음.)
단순 자원 관리와 접근 제어에 효율적.

📌동기화 이슈: 우선순위 역전

1. 시나리오 배경

3개의 스레드:
- T3 (높은 우선순위)
- T2 (중간 우선순위)
- T1 (낮은 우선순위)
T1과 T3는 공유 변수를 사용하며, 이를 세마포로 동기화.
T2는 공유 변수에 접근하지 않음.

2. 상황 진행

T1 시작:
- T1이 먼저 실행되어 P 연산으로 자원을 획득.
T3 도착:
- 높은 우선순위의 T3가 도착했지만, T1이 공유 변수 자원을 사용 중이므로 대기 상태로 전환.
T2 실행:
- T2는 중간 우선순위로 공유 변수와 무관하므로 실행 가능.
- 그러나 T3보다 우선순위가 낮은 T2가 실행됨으로써 우선순위 역전이 발생.
T1 실행 재개 및 종료:
- T1이 종료되면서 V 연산으로 자원을 해제.
T3 실행:
- 높은 우선순위의 T3가 깨워져 실행.

3. 우선순위 역전 문제점

T3와 같이 높은 우선순위의 스레드가 T1(낮은 우선순위) 때문에 블록되며, 그 사이에 T2(중간 우선순위)가 실행됨.
이로 인해 높은 우선순위의 작업이 불필요하게 지연됨.

📌우선순위 역전 해결책

1. 우선순위 올림(priority ceiling)

정의: 공유 자원을 사용하는 스레드의 우선순위를 미리 정해진 높은 우선순위로 일시적으로 올려주는 방법이다.
특징:
- 공유 자원에 접근하는 동안 스레드의 우선순위를 특정한 값으로 올림.
- 자원에 접근하는 스레드가 선점되지 않고 빠르게 실행이 완료되도록 함.

2. 우선순위 상속(priority inheritance)

정의: 공유 자원을 가진 스레드의 우선순위를 자원을 요청한 다른 스레드의 우선순위보다 높게 설정하여 빠르게 실행되도록 하는 방법이다.
특징:
- 공유 자원을 가진 스레드(T1)의 우선순위를 자원을 기다리는 스레드(T3)의 우선순위로 올림.
- 우선순위를 상속받음으로써 선점 문제를 해결하고 자원의 처리가 빠르게 진행되도록 함.

6.4 생산자 소비자 문제

📌응용프로그램에 존재하는 생산자 소비자 문제 사례

(a) 미디어 플레이어 구조: 1:1 생산자-소비자 관계

구조 설명:
- 생산자 역할: 입력 스레드가 네트워크 또는 비디오 파일로부터 데이터를 읽어들인다.
- 버퍼: 생산자가 데이터를 버퍼에 저장하며, 이 버퍼는 소비자(재생 스레드)와 공유된다.
- 소비자 역할: 재생 스레드가 버퍼에서 데이터를 읽어 디스플레이로 출력한다.
문제:
- 생산자가 데이터를 버퍼에 추가하기 전에 소비자가 버퍼를 읽으려 하면 빈 버퍼 문제 발생.
- 반대로 소비자가 데이터를 처리하기 전에 생산자가 버퍼를 가득 채우면 버퍼 오버플로우 문제 발생.

(b) 스트리밍 서버 구조: 1:N 생산자-소비자 관계

구조 설명:
- 생산자 역할: 입력 스레드가 비디오 파일에서 데이터를 읽고 버퍼에 저장.
- 버퍼: 데이터를 여러 소비자 스레드(송신 스레드)로 전달.
- 소비자 역할: 각 송신 스레드가 네트워크를 통해 데이터를 클라이언트(미디어 플레이어)로 전송.
문제:
- 여러 소비자가 동시에 버퍼를 읽으려 할 때 경쟁 조건 발생 가능.
- 생산자와 여러 소비자 간 데이터의 정확한 전달을 보장해야 하며, 이를 위해 적절한 동기화가 필요.

📌생산자 소비자 문제의 정의

1. 생산자-소비자 문제란?

구조: 생산자 스레드와 소비자 스레드가 공유 버퍼를 통해 데이터를 주고받는다.
역할:
- 생산자: 데이터를 생성하여 공유 버퍼에 저장.
- 소비자: 공유 버퍼에서 데이터를 읽고 처리.
문제 핵심:
- 생산자와 소비자가 동시에 공유 버퍼에 접근할 때 발생하는 동기화 문제를 해결하는 것이다.
- 이를 통해 생산자와 소비자가 문제 없이 협력하여 데이터를 주고받을 수 있도록 한다.

2. 생산자-소비자 문제의 구체적인 3가지 문제

문제 1 - 상호 배제 해결
- 공유 버퍼는 여러 스레드가 동시에 접근할 수 없다.
- 해결:
  - 뮤텍스(Mutex)를 사용하여 단 하나의 스레드만 버퍼를 접근하도록 제한.
문제 2 - 비어 있는 공유 버퍼 문제
- 소비자가 데이터를 읽으려고 할 때, 버퍼에 데이터가 없는 경우 발생.
- 해결:
  - 세마포어나 조건 변수를 사용해 소비자가 데이터를 기다리도록 구현.
문제 3 - 꽉 찬 공유 버퍼 문제
- 생산자가 데이터를 추가하려 할 때, 버퍼가 가득 차 있는 경우 발생.
- 해결:
  - 생산자를 대기 상태로 두고, 소비자가 데이터를 소비한 후 공간을 확보하면 다시 실행.

공유 버퍼 구조:
- P1, P2, P3: 생산자 스레드.
- C1, C2, C3: 소비자 스레드.
- 공유 버퍼: 데이터를 저장하는 공간으로 생산자가 데이터를 추가하고, 소비자가 읽는다.
- 동기화 포인트: 생산자와 소비자가 버퍼에 동시에 접근하지 않도록 관리.

📌비어 있는 버퍼 문제 해결

문제 상황

공유 버퍼가 비어 있을 때 소비자가 데이터를 읽으려고 하면 문제가 발생.
소비자는 읽을 데이터가 없기 때문에 대기 상태가 되어야 함.

해결 방법: 세마포어를 활용한 동기화

세마포어 R을 사용하여 읽기 가능한 버퍼 개수를 추적.
P 연산과 V 연산으로 소비자와 생산자의 작업을 제어.

1. 소비자가 읽으려 할 때 (왼쪽 그림)

세마포어 R = 0 (버퍼 비어 있음).
소비자는 P 연산을 수행:
- P 연산은 세마포어 값을 감소.
- 세마포어 값이 0이면 소비자는 대기(wait) 상태로 전환.
생산자가 데이터를 추가하면, V 연산으로 세마포어 값을 증가시키며 대기 중인 소비자를 깨운다.

2. 생산자가 쓰려 할 때 (오른쪽 그림)

생산자는 버퍼에 데이터를 추가하고 V 연산 수행:
- V 연산은 세마포어 값을 증가(R = 1).
- 대기 상태에 있는 소비자를 signal(깨움) 처리.
깨워진 소비자는 다시 P 연산을 수행하여 공유 버퍼에서 데이터를 읽는다.
- 데이터를 읽은 후, P 연산에서 세마포어 값을 감소(R = 0).

동작 과정 요약

소비자 동작:
- P 연산 수행.
- 세마포어 값이 0이면 대기(wait).
- 생산자가 데이터를 추가하면 V 연산으로 대기 상태 종료.
- 공유 버퍼에서 데이터를 읽는다.
생산자 동작:
- 데이터를 버퍼에 추가.
- V 연산으로 세마포어 값을 증가.
- 대기 중인 소비자를 깨운다.

중요 포인트

세마포어 값 R은 읽기 가능한 데이터의 개수를 나타냄.
P/V 연산으로 소비자와 생산자의 작업 순서를 효율적으로 동기화.
결과: 소비자와 생산자는 버퍼가 비어 있거나 가득 찼을 때 적절히 대기하거나 실행할 수 있다.

📌꽉 찬 공유 버퍼 문제 해결

문제 상황

공유 버퍼가 꽉 찼을 때 생산자가 데이터를 쓰려고 하면 문제가 발생.'
생산자는 더 이상 데이터를 쓸 공간이 없기 때문에 대기 상태가 되어야 함.

해결 방법: 세마포어를 활용한 동기화

세마포어 W를 사용하여 쓰기 가능한 버퍼의 개수를 추적.
P 연산과 V 연산으로 생산자와 소비자의 작업을 제어.

1. 생산자가 쓰려 할 때 (왼쪽 그림)

세마포어 W = 0 (버퍼가 꽉 참).
생산자는 P 연산을 수행:
- P 연산은 세마포어 값을 감소.
- 세마포어 값이 0이면 생산자는 대기(wait) 상태로 전환.
소비자가 데이터를 읽으면, V 연산으로 세마포어 값을 증가시키며 대기 중인 생산자를 깨운다.

2. 소비자가 읽으려 할 때 (오른쪽 그림)

소비자가 데이터를 읽기 전, P 연산을 수행:
- P 연산은 세마포어 값을 감소(W = 1 → 0).
- 데이터를 읽은 후, V 연산을 통해 생산자를 깨운다.
생산자는 깨워진 후 P 연산을 다시 수행하고 공유 버퍼에 데이터를 쓴다.

동작 과정 요약

생산자 동작:
- P 연산 수행.
- 세마포어 값이 0이면 대기(wait).
- 소비자가 데이터를 읽어 V 연산을 수행하면 대기 상태 종료.
- 공유 버퍼에 데이터를 쓴다.
소비자 동작:
- 데이터를 읽기 전, P 연산 수행.
- 세마포어 값을 감소.
- 데이터를 읽은 후, V 연산으로 세마포어 값을 증가.
- 대기 중인 생산자를 깨운다.

중요 포인트

세마포어 값 W는 쓰기 가능한 버퍼 공간의 개수를 나타냄.
P/V 연산으로 생산자와 소비자의 작업을 효율적으로 동기화.
결과: 생산자와 소비자는 버퍼가 비거나 꽉 찼을 때 적절히 대기하거나 실행할 수 있다.

📌생산자와 소비자 알고리즘

알고리즘 개요

R: 버퍼에서 읽기 가능한 버퍼 개수(비어 있으면 0).
W: 버퍼에 쓰기 가능한 버퍼 개수(꽉 차 있으면 0).
M: 뮤텍스(Mutex)로 생산자와 소비자 모두 사용.

소비자 알고리즘 (Consumer)

while(true) {
    P(R);  // 세마포 R에 대해 P 연산 수행
           // 읽기 가능한 버퍼가 없으면 대기

    뮤텍스(M)를 잠금;
    공유 버퍼에서 데이터를 읽는다.  // 임계구역 코드
    뮤텍스(M)를 연다;

    V(W);  // 세마포 W에 대해 V 연산 수행
           // 대기 중인 생산자를 깨운다.
}

P(R):
- 읽기 가능한 버퍼가 없으면 대기.
뮤텍스 잠금:
- 공유 버퍼에서 데이터를 읽는 동안 다른 스레드가 접근하지 못하도록 보호.
뮤텍스 해제:
- 데이터를 읽은 후 다른 스레드가 접근 가능하도록 잠금 해제.
V(W):
- 쓰기 가능한 버퍼 공간을 늘리고 대기 중인 생산자를 깨운다.

생산자 알고리즘 (Producer)

while(true) {
    P(W);  // 세마포 W에 대해 P 연산 수행
           // 쓰기 가능한 버퍼가 없으면 대기

    뮤텍스(M)를 잠금;
    공유 버퍼에 데이터를 저장한다.  // 임계구역 코드
    뮤텍스(M)를 연다;

    V(R);  // 세마포 R에 대해 V 연산 수행
           // 대기 중인 소비자를 깨운다.
}

P(W):
- 쓰기 가능한 버퍼가 없으면 대기.
뮤텍스 잠금:
- 공유 버퍼에 데이터를 쓰는 동안 다른 스레드가 접근하지 못하도록 보호.
뮤텍스 해제:
- 데이터를 쓴 후 다른 스레드가 접근 가능하도록 잠금 해제.
V(R):
- 읽기 가능한 버퍼 공간을 늘리고 대기 중인 소비자를 깨운다.

알고리즘 특징

세마포 R:
- 읽기 가능한 버퍼의 개수 관리.
세마포 W:
- 쓰기 가능한 버퍼의 개수 관리.
뮤텍스 M:
- 공유 버퍼 접근을 동기화하여 경쟁 상태를 방지.

박소미

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[운영체제] Ch5 CPU 스케줄링

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[운영체제] Ch6 스레드 동기화

운영체제

6.1 스레드 동기화의 필요성

1. 문제 상황: 공유 데이터의 훼손

2. 스레드 동기화(Thread Synchronization)

📌공유 집계판에 동시에 접근하는 사례

1. 문제 상황

2. 해결 방법

📌공유 집계판 문제를 프로그램으로 작성

1. 코드 모델

2. 문제 상황

3. 어셈블리 코드 해석

📌T1과 T2 스레드가 공유 변수 sum에 동시에 접근할 때 발생하는 문제

1. 문제 상황

2. 문제 발생 과정

(a) T1 실행 중단

(b) T2 실행

(c) T1 재개

3. 결과 및 문제점

4. 주요 원인

📌공유 데이터 접근 문제와 해결책

1. 문제점

2. 해결책 - 스레드 동기화(Thread Synchronization)

3. 멀티스레드의 경쟁 상황은 얼마나 자주 발생하는가?

📌임계구역과 상호배제

1. 임계구역(Critical Section)

2. 상호배제(Mutual Exclusion)

3. 적용 예시

4. 공통 활용 사례

6.2 상호 배제 (mutual exclusion

📌상호 배제를 포함하는 전형적인 프로그램 구성

1. 일반 코드 (Non-critical Code)

2. 임계구역 진입 코드 (Entry Code)

3. 임계구역 코드 (Critical Code)

4. 임계구역 진출 코드 (Exit Code)

프로그램 흐름

📌상호 배제 구현

상호 배제 구현 목표

상호 배제 구현 방법

하드웨어적 방법

📌상호 배제 구현 방법 1 – 인터럽트 서비스 금지

방법 설명

동작 과정

문제점

📌인터럽트를 금지하지 않은 경우와 금지한 경우의 차이

1. 인터럽트를 금지하지 않은 경우

2. 인터럽트를 금지한 경우

차이점

📌단순 Lock 변수를 이용한 상호배제 시도

Lock 변수의 동작 방식

코드 구현 예제

문제점

결론

📌Lock 변수를 사용한 상호배제 성공 사례

프로세스 흐름

📌Lock 변수를 사용한 상호배제 실패 사례

실패 상황의 흐름

실패 원인 분석

📌상호배제 구현 방법 2: 원자명령(Atomic Instruction) 사용

문제점: Lock 변수 사용 실패의 원인

해결책: 원자명령(Atomic Instruction) 도입

TSL(Test and Set Lock) 동작 방식

📌임계구역의 entry/exit 코드를 원자명령으로 재작성

(a) 기존 코드: 상호배제 실패

(b) 원자명령 TSL(Test and Set Lock)을 사용하여 상호배제 성공

출구(exit) 코드

6.3 멀티스레드 동기화 기법

📌멀티스레드 동기화

멀티스레드 동기화란?

대표적인 기법

기법 비교

📌뮤텍스(Mutex) 기법

개념

뮤텍스 기법의 구성 요소

작동 흐름

📌뮤텍스를 활용한 스레드 동기화 과정

과정 설명

핵심 요소

📌뮤텍스의 특징

뮤텍스를 활용한 동기화의 특징

📌T1과 T2 스레드가 공유 변수 `sum`에 동시에 접근할 때 발생하는 문제