Process Synchronization에 대해 설명해보세요.

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프로세스 동기화

• 프로세스가 서로 협력하여 공유 자원을 사용할 때, 경쟁 조건이 발생하면 공유 자원을 신뢰할 수 없게 만들 수 있다. 이를 방지하기 위해 프로세스들이 공유 자원에 접근하려고 할 때 프로세스들의 순서를 정하여 데이터의 일관성을 유지시키는 것이 프로세스 동기화이다.

• Race Condition(경쟁 조건)
  : 여러 프로세스(또는 스레드)가 공유 자원에 동시에 접근할 때, 공유 자원에 대한 접근 순서에 따라 실행 결과가 달라질 수 있는 상황이다. 동시에 접근할 때 자료의 일관성을 해치는 결과가 나올 수 있다. 대표적으로 다음 세 상황에서 경쟁 조건이 발생할 수 있다.

  • 커널 모드로 수행 중 인터럽트가 발생하는 경우
    :커널 모드의 수행이 끝나기 전에는 인터럽트를 받지 않도록 하는 방법으로 문제를 해결한다.
  • 프로세스가 시스템 콜을 호출해서 커널 모드로 수행중인데 Context switch가 발생하는 경우
    : 커널 모드를 수행 중일 때에는 CPU가 선점 되지 않도록 하고, 커널 모드에서 유저 모드로 돌아갈 때 선점되는 방법으로 문제를 해결한다.
  • 멀티 프로세스에서 공유 메모리 내의 커널 데이터에 접근하는 경우
    : 커널 내부에 있는 각 공유 데이터에 접근할 때마다 그 데이터에 대해서만 lock/unlock 하는 방법으로 문제를 해결한다.

• Critical Section(임계 구역)
  : 여러 프로세스(또는 스레드)가 자원을 공유하는 상황에서, 하나의 프로세스(스레드)만 접근할 수 있도록 제한해둔 코드 영역이다. 임계 구역에서 경쟁 조건이 발생할 수 있다. 임계 구역으로 인해 발생하는 문제(Critical Section Problem, CSP)들을 해결하기 위해 다음 조건들을 만족해야 한다.

  • Mutual Exclusion(상호 배제)
    : 이미 한 프로세스가 임계 구역에서 작업 중이면, 다른 모든 프로세스는 임계 구역에 진입하면 안 된다.
  • Progress(진행)
    : 임계 구역에서 작업 중인 프로세스가 없다면, 다른 프로세스가 진입할 수 있어야 한다.
  • Bounded Waiting(한정 대기)
    : 다른 프로세스의 기아를 방지하기 위해 임계 구역에 한 번 접근했던 프로세스는 다시 임계 구역에 접근할 때 제한을 두어야 한다.

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임계 영역 문제 해결 방법

• Mutex(Mutual Exclusion) Lock
  

  • 동시에 공유 자원에 접근하는 것을 막기 위해 임계 구역에 진입하는 프로세스는 acquire()함수를 통해 Lock을 획득하고, 임계 구역을 빠져나올 때 release() 함수를 통해 Lock을 반환함으로써 동시 접근을 방지한다.

    

  • available 이라는 변수는 Lock의 가용 여부를 나타낸다. Lock이 가용 상태이면 acquire()호출이 성공하고 Lock은 사용 불가 상태가 된다. 사용 불가 상태의 Lcok을 획득하려고 시도하는 프로세스는 Lock이 반환될 때까지 봉쇄된다.

  • 이러한 방식은 임계 구역에 들어가기 전에 Lock을 얻기 위해 acquire() 함수에서 무한 루프에 빠져 CPU cycle을 낭비하게 되는 Busy Waiting의 단점이 있다.

  • Mutex Lock 유형을 Spinlock이라고도 하는데, 이는 Lock을 사용할 수 있을 때까지 프로세스가 기다리면서 계속 회전하기 때문이다.

• Semaphore(세마포어)

  • 세마포어는 Busy Waiting이 필요 없는 동기화 도구이며, 여러 프로세스나 스레드가 임계 구역에 진입할 수 있는 Signaling 메커니즘이다.

  • 사용 가능한 자원의 개수를 주로 S라는 변수로 나타내며, wait() 함수(P)와, signal() 함수(V)로만 접근 가능하다. 이 때, S값을 변경하는 연산은 반드시 원자적으로 수행되어야 한다.

  wait(S) {
    S--;
    if(S < 0){
    	add this process to S.L;
        block();
    }
  }

  signal(S) {
    S++;
    if(S <= 0){
    	remove a process P from S.L;
        wakeup(P);
       }
  }

  • L은 block된 프로세스들이 기다리는 Queue이다. Block을 수행하면 커널은 block을 호출한 프로세스를 중단시키고 해당 프로세스의 PCB를 Wait Queue에 넣어준다. Wakeup을 수행하면 block된 프로세스 P를 깨워서 이 프로세스의 PCB를 Ready Queue로 이동시킨다.

  • S가 0 이상의 정수값을 가질 경우 Counting Semaphore로 주로 자원의 개수를 세는 데 사용되며, 0과 1 값만 가질 경우 Binary Semaphore로 Mutex Lock과 동일한 역할을 한다.

  • 코딩하기가 힘들고 실수하기 쉬우며, 정확성을 입증하기 어렵다.

• Moniter(모니터)
  

  • 세마포어의 단점을 보완하기 위한 High-level 동기화 구조이다. 공유 자원에 접근하기 위해서는 모니터의 내부 Procedure을 통해서만 접근할 수 있다.

  • 세마포어는 프로그래머가 직접 wait과 signal 함수를 통해 Lock을 이용하여 경쟁 조건을 해결하지만 모니터는 자체적인 기능으로 해결할 수 있어 Lock을 이용할 필요가 없다.

  • 모니터에 진입하지 못한 프로세스들은 모니터 큐에서 대기한다. 이 때, Condition Variable(조건 변수)을 사용하여 순서를 보장받는다. 조건 변수는 wait과 signal연산 만으로 접근 가능하며, 어떤 값을 가지진 않지만 자신의 큐에 프로세스를 매달아서 sleep 시키거나 큐에서 프로세스를 깨우는 역할을 한다.