🚧 임계구역

둘 이상의 프로세스가 동시에 접근해서는 안 되는 공유 자원(자료 구조 또는 장치)에 접근하는 코드의 일부

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⚠️ 임계구역 문제

임계 구역으로 지정되어야 할 코드 영역이 임계 구역으로 지정되지 않았을 때 발생할 수 있는 문제

💡 해결방법

• 상호배제 (mutual exclusion)
  임계구역에 이미 프로세스가 있다면 다른 프로세스는 들어갈 수 없음

• 진행 (progress)
  하나의 임계구역에 여러 프로세스가 접근할 때, 어떤 프로세스가 들어갈지 결정

• 한정대기 (bounded waiting)
  한 번 임계구역에 들어간 프로세스는 다음 임계구역 접근에 제한이 생김 기아 현상 방지

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⚠️ 경쟁 위험

경쟁 조건으로 인해 정상적인 결과가 나오지 않게 되는 경우

📌 경쟁 조건 (Race Condition)

두 개 이상의 프로세스가 공통 자원 병행 접근 시, 접근 순서에 따라 실행 결과가 달라지는 상황

✔️ 동시성 제어 (해결방법)

• 세마포어
  공유 자원의 데이터에 여러 프로세스의 접근을 방지

• 뮤텍스
  공유 자원의 데이터에 여러 스레드의 접근을 방지

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✔️ 세마포어와 뮤텍스

경쟁위험을 방지하기 위한 동시성 제어 기법

상호배제 보장

	세마포어	뮤텍스
동기화 수	1개 이상	오직 1개
자원 소유 및 책임	NO	YES
해제가 가능한 스레드	소유하지 않은 스레드	소유 중인 스레드 본인
범위	시스템 범위	프로세스 범위

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✔️ 세마포어

공유 자원의 데이터 / 임계영역 에
2개 이상의 프로세스 / 스레드 의 접근을 방지

시스템 범위 : 시스템 상의 파일로 존재

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✔️ 뮤텍스

공유 자원의 데이터 / 임계영역 에
다른 프로세스 / 스레드 의 접근을 방지

하나의 스레드가 자원을 소유, 책임을 가짐
소유한 스레드만이 본인의 소유를 해제할 수 있음

프로세스 범위 : 프로세스 종료 시 사라짐

바이너리 세마포어 와 유사 (락의 책임 차이)

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🌐 IPC

프로세스 간 통신
Inter-Process Communication

프로세스간의 데이터 통신 및 방식

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📌 PIPE

익명 PIPE
FIFO

2개의 프로세스를 연결
1개의 프로세스는 읽기
1개의 프로세스는 쓰기

부모 자식 간의 단방향 통신에 주로 사용
Half-Duplex(반이중) 통신이라고도 불림

읽기 종료 전에 쓰기를 수행할 수 없음

⭐ 장점

• 간단한 구현

☠️ 단점

• 전이중 통신 구현 시 2개의 PIPE 필요 (충돌 위험)
• buffer가 작아 overflow가 쉽게 발생
• 부모 자식 관계의 프로세스에 제한

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📌 Named PIPE

익명 PIPE의 확장
FIFO

사용할 PIPE를 명명
이름이 있는 파일을 매개체로 사용
-> 모든 프로세스들 사이에서 통신이 가능

⭐ 장점

• 간단한 구현

☠️ 단점

• 전이중 통신 구현 시 2개의 PIPE 필요 (충돌 위험)
• buffer가 작아 overflow가 쉽게 발생

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📌 Message Queue

FIFO
커널 영역

메시지 지향 미들웨어 (MOM)

PIPE는 데이터의 흐름,
Message Queue는 메모리 공간 (버퍼)

데이터에 번호를 붙임으로써 여러 프로세스가 동시에 접근 가능

일대일 통신 : 각 메시지는 하나의 소비자에게 한 번씩 사용됨

⭐ 장점

• 여러 프로세스가 동시에 접근 가능
• 비동기 : 큐에 넣어둔 후 나중에 처리 가능

☠️ 단점

• 큐 입출력 시 오버헤드 발생 가능

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📌 Socket

같은 도메인 내에서 네트워크를 통한 통신

Full-Duplex(전이중) 통신

서버-클라이언트 간의 연결을 항상 유지해야 함

⭐ 장점

• 서버/클라이언트 환경 구축에 용이
• 항상 연결되어 HTTP 통신보다 빠름 -> 오버헤드가 줄어듦

☠️ 단점

• 서버-클라이언트 간의 지속적 연결은 곧 비용

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📌 공유 메모리

지금까지 데이터를 주고 받았다면
공유 메모리는 데이터 자체를 함께 사용

프로세스가 커널에 공유 메모리 할당을 요청

⭐ 장점

• 가장 빠른 IPC 직접 데이터를 사용

☠️ 단점

• 데이터를 읽어야 하는 시점을 알 수 없음 메시지 전달 방식이 아니기 때문

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👍️ 스레드 안전

공유 자원에 대해
여러 스레드의 접근이
프로그램 실행에 문제가 없는 것

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📌 스레드 안전을 지키기 위한 방법

📍 상호 배제

Mutual Exclusion

세마포어 / 뮤텍스 등으로 락을 통제

📍 원자 연산

Atomic Operation

더 이상 쪼갤 수 없는 연산
중단되지 않는 연산
주로 CPU의 명령어를 직접 사용

📍 쓰레드 지역 저장소

Thread-Local Storage

공유 자원의 수를 줄이고 스레드 각각의 저장소를 사용
: 전역변수를 지양

📍 재진입성

Re-Entrancy

하나의 스레드가 실행 중인 함수를 다른 스레드가 실행하더라도 각각의 결과가 옳아야 함

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✍ 피터슨 알고리즘

임계구역 문제 해결방법 3가지 모두 충족

다른 프로세스의 상태를 확인해가며 현재 작업을 진행 또는 대기

📍 Example

공유 변수

boolean wannaSleep = false;
boolean wannaWork = true;

final int SLEEP = 0;
final int WORK = 1;
int TimeTo = WORK;

잠을 재우고 싶은 프로세스

wannaSleep = true;
TimeTo = SLEEP;

while(wannaWork && TimeTo==SLEEP);
//
// 임계구역
//
wannaSleep = false;

일을 시키고 싶은 프로세스

wannaWork = true;
TimeTo = WORK;

while(wannaSleep && TimeTo==WORK);
//
// 임계구역
//
wannaWork = false;

☠️ 한계

임계구역 종료 이전에 컨텍스트 스위칭 발생 시 원하지 않은 결과값이 나올 수 있음

대기를 위한 while문의 루프가 아무런 동작을 하지 않음에도
CPU 자원을 사용한다 : Busy waiting

3개 이상의 프로세스에선 Busy waiting은 더욱 심해진다
프로세스가 많아질수록 기하급수적으로 늘어나게 될 것