💽운영체제(동기화, 세마포어, 데드락)

동기화 이슈(Synchronization) 이슈

사진 출처: https://solt.tistory.com/78

• 동기화: 작업들 사이에 실행 시기를 맞추는 것
• 여러 스레드가 동일한 자원(데이터) 접근시 동기화 이슈 발생
  • 동일 자원을 여러 스레드가 동시 수정시, 각 스레드 결과에 영향을 줌

동기화 이슈 예제

import threading

g_count = 0

def thread_main():
    global g_count
    for i in range(1000000):
        g_count = g_count + 1 
    
threads = []
lock = threading.Lock()

for i in range(50):
    th = threading.Thread(target= thread_main)
    threads.append(th)

for th in threads:
    th.start()

for th in threads:
    th.join()

print('g_count = ', g_count)

• 파이썬에서 쓰레드를 통제하는 라이브러리를 import 했다.
• g_count 라는 전역변수를 선언해주고
• 1부터 100만까지 1씩 더하는 반복문 함수(thread_main)를 정의했다
• 프린트해보면 5천만이 나오지 않고 다른 숫자가 나온다.

운영체제가 컨텍스트 스위칭을해서 백만의 반복문이 실행되다가 쓰레드가 중간에 바뀌어서 생기는 일이다.

해결 방법

import threading

g_count = 0

def thread_main():
    global g_count
    lock.acquire()
    for i in range(1000000):
        g_count = g_count + 1 
    lock.release()
    
threads = []
lock = 
for i in range(50):
    th = threading.Thread(target= thread_main)
    threads.append(th)

for th in threads:
    th.start()

for th in threads:
    th.join()

print('g_count = ', g_count)

• lock.acquire()를 사용해서 스레드가 동시에 반복문에 접근할 때 한개의 스레드만 접근하고 나머지는 못접근하게 한다.

• 반복문에 접근한 스레드가 나오면서 lock.release()함수를 실행해서 다음 스레드가 반복문에 접근할 수 있게 한다.

동기화 이슈 해결 방안

• Mutual exclusion(상호 배제)
• 쓰레드는 프로세스의 모든 데이터를 접근할 수 있으므로,
  • 여러 스레드가 변경하는 공유변수에 대해 Exclusive Access 필요
  • 어느 한 스레드가 공유 변수를 갱신하는 동안 다른 스레드가 동시에 접근하지 못하도록 막는다.

Mutual exclusion(상호 배제)

    lock.acquire()
    for i in range(1000000):
        g_count = g_count + 1 
    lock.release()

• 반복문이 임계영역(critical section)이고
• g_count += 1 이 임계자원(critical resource)이다.

동기화와 세마포어

Mutex와 세마포어 (Semaphore)

• Critical Section(임계구역)에 대한 접근을 막기 위해 LOCKING 매커니즘이 필요
  • Mutex(binary semaphore)
    : 임계구역에 하나의 스레드만 들어갈 수 있음
  • Semaphore
    : 임계구역에 여러 스레드가 들어갈 수 있음
    : counter를 두어서 동시에 리소스에 접근할 수 있는 허용 가능한 스레드 수를 제어

세마포어(Semaphore)

• P: 검사 (임계영역에 들어갈 때) -> lock.acquire()
  • S값이 1 이상이면, 임계 영역 진입 후, S값 1 차감 (S값이 0이면 대기)

P(s): wait(S) {
		while s <= 0 // 대기
        S--; // 다른 프로세스 접근 제한 (1감소)
        }

• V: 증가(임계영역에서 나올 때) -> lock.release()
  • S값을 1더하고, 임계 영역을 나옴

V(S): signal(S) {
	s ++;  // 다른 프로세스 접근 허용 (1증가)
    }

• S: 세마포어 값 (초기 값만큼 여러 프로세스가 동시 임계 영역 접근 가능)

세마포어(Semaphore)- 바쁜 대기

• wait()은 S가 0이라면, 임계영역에 들어가기 위해, 반복문 수행
  • 바쁜대기, busy waiting -> 멈춤이 없다. -> CPU에 부하를 걸리게 함

P(s): wait(S) {
		while s <= 0 // 대기
        S--; // 다른 프로세스 접근 제한 (1감소)
        }

세마포어(Semaphore) - 대기큐

• S가 음수일 경우, 바쁜 대기 대신, 대기큐에 넣는다.

wait(S) {
    	S->count--;
    if (S->count <= 0) {
    	add this process to S->queue; // 대기 
        block() // 블록, sleap()
    }
}

• wakeup() 함수를 통해 대기큐에 있는 프로세스 재실행

signal(s) {
		S->count++;
    if (S->count >=1) {
        remove a process P form S->queue;
        wakeup(P) // 깨우기
    }
}

참고: 주요 세마포어 함수(POSIX 세마포어)

• sem_open(): 세마포어를 생성
• sem_wait(): 임계영역 접근 전, 세마포어를 잠그고, 세마포어가 잠겨있다면, 풀릴 때까지 대기
• sem_post(): 공유자원에 대한 접근이 끝났을 때 세마포어 잠금을 해제한다.