[OS] 프로세스 동기화 - 임계구역 문제

가장 기본적인 예시로 시작하겠다.

💲은행 계좌 문제 (Bank Account Problem)

만원이 들어있는 계좌에 두 명이 동시에 만 원씩 인출한다면?

첫번째 사람이 만원을 인출하여 계좌 잔액이 0으로 설정되기 전

두 번째 사람이 만원을 인출하여 계좌 잔액을 0으로 설정하려 한다면?

잔액은 0이지만 이만원이 인출되는 것이 아닐까?

 

좀더 컴과같이 말해보기

메모리에 있는 은행 계좌 잔액 변수 balance는 현재 값이 10000이다.

프로세스 A와 B는 balance를 -10000 시키는 일을 한다.

A가 메모리에서 balance 값을 읽어 10000을 뺀 후, 결과 값 0을 balance에 저장하려고 한다.

저장하기 전 까지 balance는 10000이다.

B 역시 balance값 10000을 읽어 10000을 뺀 결과 값 0을 balance에 저장하고자 한다.

그 사이 A가 balance를 0으로 만들었지만, B는 balance값을 다시 0으로 덮어씌운다.

이게 가능하다면 은행은 거덜날 것이다.

 

=> 공유 자원에 동시에 접근함으로써 생기는 임계구역 문제

 

(멀티 스레드 예시 같긴 하지만) 비슷한 문제 코드

public class Main {
    public static void main(String[] args)  {
       SharedBoard board = new SharedBoard();

       Thread th1 = new StudentThread("bin", board);
       Thread th2 = new StudentThread("sanha", board);

       th1.start();
       th2.start();
    }
}

class SharedBoard {
    private int sum = 0;

    /*synchronized*/ public void add(){
        int n = sum;
        Thread.yield();
        n += 10;
        sum = n;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + sum);
    }
    public int getSum(){return sum;}
}

class StudentThread extends Thread{
    private SharedBoard board;

    public StudentThread(String name, SharedBoard board){
        super(name);
        this.board = board;
    }

    public void run(){
        for(int i=0; i<10; i++){
            board.add();
        }
    }
}

1. synchronized 있을 때 bin : 10 bin : 20 bin : 30 bin : 40 bin : 50 bin : 60 bin : 70 bin : 80 bin : 90 bin : 100 sanha : 110 sanha : 120 sanha : 130 sanha : 140 sanha : 150 sanha : 160 sanha : 170 sanha : 180 sanha : 190 sanha : 200 Process finished with exit code 0

2. synchronized 없을 때 bin : 10 bin : 30 sanha : 20 sanha : 40 sanha : 50 sanha : 60 sanha : 70 sanha : 80 sanha : 90 sanha : 100 sanha : 110 sanha : 120 bin : 40 bin : 50 bin : 60 bin : 70 bin : 80 bin : 90 bin : 100 bin : 110 Process finished with exit code 0

 

🌀병행 프로세스와 동기화

 

• 게임을 할 때 캐릭터가 움직이면서, 노래도 나오게 하려면 여려 프로세스가 동시에 처리되어야 한다.
• 하지만 하나의 CPU는 하나의 프로세스밖에 실행할 수 없으므로 프로세스끼리 여러번 문맥교환하여 동시에 처리되는 것 처럼 보이게 한다.
• 병행 프로세스 간은 비동기적이다.
  - 동기적 : 한 프로세스의 작업을 끝내면 다음 프로세스를 처리한다. (JAVA Sync)
  - 비동기적: 여러 프로세스를 번갈아 수행한다.
                 다른 프로세스들이 어떤 상태에 있는지, 어떤 자원을 가지고 있는지,
                 어디까지 실행됐는지 등에 대해 모른 채 실행되고 있다.
• 공유 자원이 없으면 아무 문제가 없지만. 그렇지 않은 경우 문제가 발생한다.
  경쟁 상태(Race Condition) : 프로세스들이 공유 데이터에 대해 서로 접근을 시도하는 상황
                                       이로 인해 상호배제, 교착상태, 기아 같은 문제가 발생한다.
• 임계 자원(Critical Resource) : 두 개 이상의 프로세스가 동시에 사용할 수 없는 자원
  임계 영역(Critical Section) : 임계 자원에 접근하고 실행하는 코드 부분
• 임계 영역 문제를 해결하기 위해서는
  1. 상호 배제를 잘 지켜 한 번에 하나의 프로세스 만이 임계 영역에 들어가야 한다.(Mutual exclusion)
  2. 임계 영역에 있지 않은 프로세스가 다른 프로세스의 임계영역 진입을 막아서는 안된다.(Progress requirement)
  3. 비어있는 임계 영역에 대한 진입은 바로 허용한다. 특정 프로세스의 진입 시도만 계속 무산되어 기아를 격지 않도록 한다.(Bounded-waiting requirement)
  4. 임계 영역을 벗어날 때는 자신이 나오는 사실을 알려 다른 프로세스가 들어올 수 있도록 한다.
  => 이게 지켜지게 적절히 코딩해야 한다.

🥊상호 배제

• 소프트웨어 기법들

• Peterson 알고리즘
  - 겁나 버티다가 상대가 끝나면 넘어간다.
  - 현재 멀티 스레드를 지원하는 컴퓨터에서는 문제가 생길 수 있다.
    종속성이 있기 때문이다. -> 메모리 장벽 사용

• Lamport 베이커리 알고리즘
  - 번호표 받기
  - 번호표를 받았으면서, 나보다 앞 번호를 받은 프로세스 중 실행중인 프로세스가 있나 확인

• 하드웨어 기법

• 인터럽트 금지를 사용한 기법 -> 그냥 인터럽트를 금지함
• 하드웨어 명령어를 사용한 기법
  - 간단하고, 다중처리 시스템에서도 쉽게 쓸 수 있음, 다른 변수를 사용함으로써 여러 임계 영역 지원
  - 바쁜 대기, 차례 정해지지 않음.

 

김주균, 「OS? Oh Yes!」, 휴먼싸이언스

황기태 김효수, 명품 JAVA Programming 개정 4판, 생능출판