5. 프로세스 동기화

1-1. 프로세스 간 통신의 개념

프로세스 간 통신의 종류

• 공유 메모리나 공유 파일을 이용한 통신
  • 일정한 메모리 영역이나 파일을 공유하고 이를 통해 데이터를 주고받음
  • 가장 원시적
• 파이프를 이용한 통신
  • 파이프는 프로세스 간 통신을 위해 OS가 제공하는 통신 기법
  • fork()로 만들어진 부모-자식 간에 사용됨
• 소켓을 이용한 통신
  • 소켓은 네트워크로 연결된 컴퓨터에서 데이터를 주고받기 위한 통신 기법
  • 초기화할 내용도 많고 시스템 자원도 많이 사용하므로 같은 컴퓨터에서 소켓 통신을 하는 것은 비효율적

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1-2. 프로세스 간 통신의 종류

파일을 이용한 통신

• 파일 열기
  • open(”com.txt”, O_RDWR): com.txt 파일을 읽기, 쓰기가 가능한 상태로 준비, open 함수는 파일에 접근할 수 있는 권한인 파일 기술자 fd를 사용자에게 반환
• 파일 쓰기
  • write(fd, “Test”, 5): fd(com.txt)에 Test 문자를 쓰라는 의미
  • read(fd, buf, 5): fd에서 5 Bytes를 읽어 변수 buf에 저장
• 파일 닫기
  • close(fd): fd가 가리키는 파일(com.txt)을 닫음

파이프를 이용한 통신

• open()으로 기술자를 얻고 close()로 마무리
• 파이프로 양방향 통신을 하려면 파이프 2개 사용
• 파이프에 쓰기를 하면 데이터가 전송, 읽기를 하면 데이터 받음

이름 없는 파이프: 일반적인 파이프

이름 있는 파이프: FIFO라 불리는 특수파일을 이용, 서로 관련 없는 프로세스 간 통신에 이용

소켓을 이용한 통신

• 여러 컴퓨터에 있는 프로세스끼리 통신하는 방법
• 프로세스가 소켓에 쓰기 연산을 하면 데이터 전송, 읽기 연산을 하면 데이터 받음

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2-1. 공유 자원에 대한 접근

공유 자원

• 여러 프로세스가 공동으로 이용하는 변수, 메모리, 파일 등
• 공동으로 이용되므로 누가 언제 데이터를 쓰거나 읽냐에 따라 결과가 변함

경쟁 조건

• 2개 이상의 프로세스가 공유 자원을 병행적으로 읽거나 쓰는 상황
• 경쟁조건이 발생하면 공유 자원 접근 순서에 따라 실행 결과가 달라짐

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2-2. 임계 구역

임계구역(Critical Section)

• 공유 자원 접근 순서에 따라 실행 결과가 달라지는 프로그램 영역
• 임계 구역에서는 프로세스를 동시에 작업하면 안 됨

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2-3. 생산자 - 소비자 문제

코드 및 실행 순서에 따른 결과

1. 생산자는 수를 증가시키며 물건을 채우고 소비자는 생산자를 쫓아가며 물건 소비
2. 생산자 코드와 소비자 코드가 동시에 실행되면 문제 발생

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2-4. 임계구역 문제 해결 조건

상호배제

한 프로세스가 임계구역에 들어가면 다른 프로세스는 임계구역 진입 못함

한정 대기

어떤 프로세스도 무한 대기하지 않아야 함

진행의 융통성

한 프로세스가 다른 프로세스의 진행을 방해해서는 안됨

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3-1. 임계구역 해결

#include <stdio.h>

typedef enum {false, true} boolean;
extern boolean lock = false;
extern int balance;

main() {
    while(lock == true)
    lock = true;
    balance = balacne + 10; /* 임계구역 */
    lock = false;
}

해결 1. 전역 변수로 잠금을 구현

공유 변수 lock 이용

전역 변수로 잠금을 구현했을 때 문제

1. P1이 while(lock == true); 실행
2. P2가 while(lock == true); 실행
3. P1이 lock=true; 실행하여 임계구역에 잠금을 걸고 진입
4. P2가 lock=true; 실행하여 임계구역에 잠금을 걸고 진입
5. 결국, 둘 다 임계구역에 진입

해결 2. 상호 배제 조건을 충족하는 코드

상호 배제 조건을 충족하는 코드의 문제

1. P1이 lock1=true; 실행 후 타임아웃, 문맥교환 발생, P2가 실행 상태로 바뀜
2. P2도 lock2=true; 실행 후 타임아웃, 문맥교환 발생, P1이 실행 상태로 바뀜
3. P1은 lock2 == true이므로 무한 루프에 빠짐
4. P2도 lock1 == true이므로 무한 루프에 빠짐

상호 배제와 한정 대기 조건을 충족하는 코드

= 진행의 융통성 문제 발생(한 프로세스가 다른 프로세스의 진행을 방해)

임계구역 문제의 하드웨어적 해결 방법

• 검사와 지정(test and set) 코드로 하드웨어의 지원을 받아 while(lock == true);문과 lock=true;문을 한 번에 실행
• 검사와 지정 코드를 이용하면 명령어 실행 중간에 타임아웃이 걸려 임계구역을 보호하지 못하는 문제가 발생하지 않음

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3-2. 피터슨 알고리즘

• 임계구역 문제 해결의 3조건을 모두 만족
• 2개의 프로세스만 사용 가능하다는 한계

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3-3. 데커 알고리즘

데커 알고리즘의 동작

1. P1은 우선 잠금을 건다 lock1 = true;
2. P2가 잠금이 걸렸는지 확인 while(lock2 == true)
3. P2도 잠금을 걸었다면 누가 먼저인지 확인 if (turn==2)
4. P1의 차례라면(turn == 1) 임계구역으로 진입, P2의 차례라면(turn == 2) 4번으로 이동
5. P1의 lock을 풀고(lock1 = false) P2가 작업을 마칠 때까지 기다림 while (turn == 2)
6. P2가 작업을 마치면 잠금을 걸고(lock1 = true) 임계구역으로 진입

3-4. 세마포어

Semaphore(n); // -> RS = n;

P(); // -> if RS > 0 then RS = RS -1; else block();
/*
	임계구역
*/
V(); // -> RS = RS + 1; wake_up();

1. 프로세스가 임계구역에 진입하기 전에 스위치를 사용 중으로 둠
2. 후에 도착하는 프로세스는 앞의 프로세스가 작업이 끝날 때까지 기다림
3. 작업을 마치면 세마포어가 다음 프로세스에 임계구역을 사용하라는 동기화 신호를 보냄

세마포어 내부 코드

• Semaphore(n): 전역변수 RS를 n으로 초기화, n은 현재 사용 가능한 자원의 수
• P(): 잠금을 수행, RS가 0보다 크면 1만큼 감소시키고 임계구역 진입, 0이거나 더 작으면 0보다 커질 때까지 기다림
• V(): 잠금해제, 동기화를 같이 수행, RS를 1 증가시키고 세마포어에서 기다리는 프로세스에게 임계구역에 진입하라는 wake_up 신호를 보냄

세마포어 사용 잘못된 예

1. 프로세스가 세마포어를 사용하지 않고 임계구역에 바로 들어간 경우, 임계구역을 보호할 수 없음
2. P()를 V() 대신 두 번 사용하여 wake_up 신호가 발생하지 않은 경우, 무한 대기에 빠짐
3. P()와 V()를 반대로 사용해 상호 배제가 보장되지 않은 경우, 임계구역을 보호할 수 없음

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3-5. 모니터

공유 자원을 내부적으로 숨기고 공유 자원에 접근하기 위한 인터페이스만 제공해 자원을 보호하고 프로세스 간의 동기화를 시킴

모니터의 작동 원리

1. 임계구역으로 지정된 변수나 자원에 접근하려는 프로세스는 직접 P()나 V()를 사용하지 않고 모니터에게 요청
2. 모니터는 요청받은 작업을 모니터 큐에 저장 후 순서대로 처리하고 결과만 해당 프로세스에 알려줌

mon.wait(): 모니터 큐 안에서 기다림

mon.signal(): 다음 프로세스를 wake_up 시킴