프로세스 동기화 기법

 

 

프로세스 동기화

프로세스 동기화는 프로세스들 사이의 수행 시기를 맞추는 것을 의미합니다. 운영체제 입장에서는 프로세스들의 실행 순서를 제어하고 상호 배제(동시에 접근해서는 안되는 자원에 하나의 프로세스만 접근)을 원활히 이루어내야 하죠. 이와 관련해서 공유 자원과 임계 영역, 생산자/소비자 문제, 경쟁 상태, 임계 영역 등의 개념이 나옵니다. 이러한 개념들은 이전에 다뤘기 때문에 아래를 참고하시면 될 것 같습니다.

 

[C++] 21. 스레드 경쟁 상태(Race condition), 뮤텍스(mutex), 데드락, std::conditional_variable, std::async

 

 

동기화 기법

프로세스 동기화의 기법에는 뮤텍스 락, 세마포어, 모니터 등이 있습니다. 운영체제는 동기화 기법을 통해 임계 영역에 오직 하나의 프로세스만 진입하도록 제어하면서 실행 순서를 올바르게 보장합니다.

 

뮤텍스 락

뮤텍스는 Mutual Exclusion의 약어로, 여러 스레드가 공유 자원에 동시에 접근하는 것을 막기 위한 동기화 기법입니다. 뮤텍스는 임계 영역(Critical Section)이라 불리는 코드 영역에 락(lock)을 걸어 다른 스레드가 해당 영역에 들어가지 못하도록 합니다. 락은 하나의 스레드만 획득할 수 있고, 다른 스레드는 대기하거나 다른 작업을 수행해야 합니다. 뮤텍스는 스레드 간의 경쟁 상태(Race Condition)를 방지하고 데이터 무결성을 보장합니다.

 

 

정리하면 뮤텍스 락은 상호 배제를 위한 동기화 도구로써 탈의실에 설치된 자물쇠라고 보시면 될 것 같습니다. 탈의실에는 손님 한 명씩만 들어가기 때문에 손님이 탈의실을 이용하면 자물쇠를 잠그고 다른 손님들은 기다립니다. 탈의실 밖 손님들(대기하는 프로세스)은 걸려있는 자물쇠(뮤텍스 락)를 보고 탈의실(임계 영역)에 들어가지 않습니다.

 

세마포어

세마포어는 동시에 여러 스레드나 프로세스가 특정 리소스에 접근할 수 있는 허용 개수를 제어하는 동기화 도구입니다. 세마포어는 카운터 값으로 표현되며, 이 값에 따라 특정 리소스에 접근할 수 있는 스레드나 프로세스의 수를 조절합니다. 세마포어는 뮤텍스와 달리 여러 스레드가 동시에 접근할 수 있는 허용 개수를 가질 수 있습니다. 세마포어는 주로 제한된 자원을 여러 스레드나 프로세스가 공유할 때 사용됩니다.

 

 

뮤텍스 락은 공유자원이 하나만 있는 경우에 사용하고, 세마포어는 공유 자원이 여러 개 있는 경우에도 적용 가능합니다. 세마포어는 바이너리 세마포어와 카운팅 세마포어가 있습니다. 대부분의 세마포어는 카운팅 세마포어를 뜻합니다.

 

 

세마포어의 유래는 열차 신호기에서 왔습니다. 임계 영역 앞에서 프로세스나 스레드가 신호를 받으면 진입할 수 있고, STOP신호이면 진입할 수 없습니다. 세마포어는 임계 구역에 진입할 수 있는 프로세스의 개수를 나타내는 전역 변수(S)와 임계 영역에 들어가도 되는지 알려주는 wait함수, 기다리는 프로세스가 임계 영역에 들어갈 수 있게 신호를 주는 signal 함수로 구현할 수 있습니다.

 

모니터

모니터는 뮤텍스와 세마포어를 추상화한 고수준 동기화 도구입니다. 모니터는 공유 데이터나 리소스에 접근하는 모든 스레드가 진입을 시도하면 모니터 내부의 크리티컬 섹션에 동시에 접근할 수 없도록 합니다. 모니터는 임계 영역에 대한 접근을 조절하고, 스레드 간의 통신을 지원하며, 대기하고 있는 스레드를 깨우는 기능을 제공합니다. 모니터는 스레드 간의 동기화와 통신을 더 쉽게 구현할 수 있도록 도와줍니다.

 

세마포어는 사용하기 불편한 면이 있습니다. 매번 임계 영역 앞뒤로 일일이 wait과 signal 함수를 명시해야 하고 잘못된 코드로 예기치 못한 결과를 얻을 수도 있습니다.

 

세마포어의 잘못된 사용 예시

 

이에 최근 등장한 발전된 동기화 도구가 모니터입니다. 모니터는 개발자가 사용하기 쉬운 동기화 도구이며 상호 배제를 위한 동기화 도구와 실행 순서 제어를 위한 동기화 도구를 모두 갖추고 있습니다. 

 

상호 배제를 위한 동기화 측면에서는 공유 자원과 공유 자원에 접근하기 위한 인터페이스를 묶어서 관리합니다. 공유자원에 접근하고자 하는 프로세스를 큐를 만들고 모니터 안에 항상 하나의 프로세스만 들어오도록 하여 상호 배제를 위한 동기화를 제공합니다.

 

그리고 실행 순서 제어를 위한 동기화도 제공합니다. 특정 조건을 바탕으로 프로세스를 실행하고 일시 중단하기 위해 모니터는 조건 변수(condition variable)를 사용합니다. 조건 변수는 프로세스나 스레드의 실행 순서를 제어하기 위해 사용하는 특별한 변수입니다.

 

 

상호 배제를 위한 큐와 조건 변수에 대한 큐는 서로 다른 큐입니다. 모니터에서는 조건 변수를 활용하여 프로세스나 스레드의 실행 순서를 제어할 수 있습니다. 조건 변수는 wait과 signal함수를 제공하며 준비상태에서 대기하거나 실행상태로 전환하는 기능입니다.

 

 

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출처: 혼자공부하는 컴퓨터구조+운영체제