프로세스 동기화

프로세스 동기화

1. 스레드 세이프(Thread Safe)

멀티 스레드 프로그래밍에서 일반적으로 어떤 함수나 변수, 혹은 객체가 여러 스레드로부터 동시에 접근이 이루어져도 프로그램의 실행에 문제가 없음을 뜻한다. 보다 엄밀하게는 하나의 함수가 한 스레드로부터 호출되어 실행 중일 때, 다른 스레드가 그 함수를 호출하여 동시에 함께 실행되더라도 각 스레드에서의 함수의 수행 결과가 올바로 나오는 것으로 정의한다.

 

2. 임계 영역(Critical Section)

임계 영역이란 동일한 자원(공유 자원)을 동시에 접근하는 작업(공유 변수 사용, 동일 파일 사용 등)을 실행하는 코드 영역이다. 이러한 임계 영역 문제를 해결하기 위해서는 3가지 조건을 만족해야 한다.

 

• 상호 배제(Mutual Exclusion): 한 프로세스가 임계 영역에서 실행 중이라면, 다른 프로세스들은 임계 영역에서 실행될 수 없다.
• 진행(Progress): 임계 영역에서 실행 중인 프로세스가 없고 별도의 동작이 없는 프로세스들만 임계 영역의 진입 후보로서 참여될 수 있다.
• 한정된 대기(Bounded Waiting): 프로세스가 임계 영역에 진입 신청 후부터 받아들여질 때까지 다른 프로세스들이 임계 영역에 진입하는 횟수는 제한이 있어야 한다.

 

3. 동기화 기법

1) LOCK

하드웨어 기반 해결책으로 동시에 공유 자원에 접근하는 것을 막기 위해 임계 영역에 진입하는 프로세스는 Lock을 획득하고 빠져나올 때 Lock을 방출함으로써 동시에 접근이 되지 않도록 한다.

 

2) 세마포어(Semaphore)

소프트웨어 기반 해결책이다.

• 카운팅(Counting) 세마포어: 가용한 개수를 가진 자원에 대한 접근 제어용으로 사용되며 세마포어를 가용한 자원의 개수로 초기화한 후 자원을 사용하면 세마포어 감소, 방출하면 세마포어가 증가한다. 세마포어가 0이면 모두 사용 중인 경우로 다음 작업은 대기해야 한다.

// P: 임계 영역에 들어가기 전에 수행(프로세스 진입 여부를 자원의 개수(S)를 통해 결정)
// V : 임계 영역에서 나올 때 수행(자원 반납 알림, 대기 중인 프로세스를 깨우는 신호)

procedure P(S) // 최초 S값은 1임
    while S=0 do wait // S가 0면 1이 될때까지 기다려야 함
    S := S-1 // S를 0로 만들어 다른 프로세스가 들어 오지 못하도록 함
end P

// 임계 영역

procedure V(S) // 현재상태는 S가 0임
    S := S+1 // S를 1로 원위치시켜 해제하는 과정
end V

• 이진(Binary) 세마포어: Mutex라고 부르며 0과 1 사이의 값만 가능하다. 일종의 자물쇠 역할로 뮤텍스를 갖고 있어야 임계 영역에 들어갈 수 있다.
• 바쁜 대기: 임계 영역에 진입해야 하는 프로세스는 진입 코드를 계속 반복 실행해야 하며 CPU 시간을 낭비하게 된다.

 

3) 모니터

고급 언어의 설계 구조물로써 개발자의 코드를 상호 배제하게끔 만든 추상화된 데이터 형태이다. 공유 자원에 접근하기 위한 키 획득과 자원 사용 후 해제를 모두 처리한다.

 

4) 해결책들의 차이점

• 뮤텍스와 모니터는 하나의 대상만 동기화할 수 있고 세마포어는 하나 이상의 대상을 동기화할 수 있다.
• 세마포어는 소유가 불가능하지만 뮤텍스는 소유가 가능하다.
• 뮤텍스는 다른 프로세스 간 동기화를 위해 사용하지만 모니터는 하나의 프로세스 내 다른 스레드 간 동기화를 위해 사용된다.