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프로세스 동기화(Process Synchronization)

프로세스 동기화란?

하나의 자원을 한 순간에 하나의 프로세스만이 이용하도록 제어하는 것이다.

프로세스가 서로 메시지를 주고받거나 프로세스 내부에서 쓰레드끼리 자원을 공유하면서 동기화에 대한 문제가 항상 발생할 수 있다.

경쟁 상태(Race Condition)

경쟁 상태(Race Condition)는 여러 프로세스들이 동시에 데이터에 접근하는 상황에서, 어떤 순서로 데이터에 접근하느냐에 따라 결과 값이 달라질 수 있는 상황을 말한다. 공유 데이터의 동시 접근은 데이터의 불일치 문제를 발생시킬 수 있다. 따라서, Race Condition을 막고 일관성을 유지하기 위해서는 협력 프로세스간의 실행 순서를 정해주는 메커니즘인 동기화가 필요하다.

예시

메모리 프로퍼티인 count가 static으로 공유하고 있기 때문에 각각의 프로세스에서 동시에 접근하면 데이터의 불일치가 나타날 수 있다.

일반적으로 다음 세 가지 경우에서 Race Condition이 발생할 수 있다.

1. 커널 모드로 수행 중 인터럽트가 발생하는 경우

(kernel mode start)------->(kernel count++)------>(Interrupt count--)---------->(kernel mode end)

의도된 동작은 count++과 count--가 모두 반영되어 count가 초기값을 유지하는 것이지만, 만약 Load를 한 후에 인터럽트가 발생하는 경우 인터럽트의 결과는 반영되지 않고 count++만 반영된다. 이는 커널 모드의 수행이 끝나기 전에는 인터럽트를 받지않는 방식(disable/enable)으로 문제를 해결할 수 있다.

• 유저 모드: 유저(사용자)가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두고, 프로그램의 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드이다. 즉, 코드를 작성하고, 프로세스를 실행하는 등의 행동들을 말한다.
• 커널 모드: 모든 자원(드라이버, 메모리, CPU 등)에 접근, 명령을 할 수 있는 모드이다. 컴퓨터 내부에서 할 수 있는 모든 일들을 할 수 있는 모드이다.

2. 프로세스가 시스템 콜을 호출해서 커널 모드로 수행 중인데 Context switch가 발생하는 경우

두 프로세스의 주소 공간에서는 데이터를 공유하지 않지만, 시스템 콜을 수행하는 동안에는 둘 다 커널 주소 공간의 데이터를 접근한다. 따라서 커널 주소 공간에서 작업을 수행하는 도중에 CPU를 빼앗으면 경쟁상태(race condition)이 발생한다.

이는 커널 모드를 수행중일 때 CPU가 선점되지 못하도록 하고, 커널 모드에서 유저 모드로 돌아갈 때 선점 되도록 함으로써 해결할 수 있다.

3. 멀티 프로세서에서 공유 메모리 내의 커널 데이터에 접근하는 경우

어떤 CPU가 마지막으로 Count를 저장했는지에 따라서 결과값이 달라진다. 즉, Count라는 공유 변수를 수정하면 문제가 발생하게 된다는 것이다. 싱글 프로세서인 경우 1번과 같이 인터럽트(disable/enable) 방식으로 해결할 수 있지만, 멀티 프로세서인 경우 인터럽트 제어로는 해결할 수 없다. 한 번에 한 CPU만 커널에 들어갈 수 있도록 하는 방법이 있으나 이는 비효율적이다. 만약 두 프로세서가 공유 메모리에 있는 서로 다른 데이터에 접근하여 Race Condition의 가능성이 없음에도 불구하고 한 번에 한 CPU만 커널에 들어갈 수 있기 때문이다. 따라서, 커널 내부에 있는 각 공유 데이터에 접근할 때마다 그 데이터에 대해서만lock/unlock을 하는 방식으로 해결할 수 있다.

임계 영역(Critical Section)

임계 영역(Critical Section)은 코드 상에서 Race Condition이 발생할 수 있는 특정 부분을 의미한다. 즉, 공유 데이터에 접근하는 코드 영역을 말한다.

임계 영역으로 인해 발생하는 문제점을 해결하기 위해서는 다음 조건들을 만족해야 한다.

1. 상호 배제(Mutual Exclusion)
   • 하나의 프로세스가 이미 임계 영역에서 작업 중이면 다른 모든 프로세스들을 임계 영역에 진입하면 안된다.
2. 진행(Progress)
   • 임계 영역에서 작업중인 프로세스가 없고, 임계 영역에 진입하고자 하는 프로세스가 존재한다면 진입 가능해야 한다.
3. 한정 대기(Bounded Waiting)
   • 프로세스가 임계 영역에 들어가기 위해 요청한 후부터 그 요청이 허용될 때까지 다른 프로세스들이 임계 영역에 들어가는 횟수에 한계가 있어야 한다. 즉, 임계 영역에 진입하여는 프로세스가 무한정 대기해서는 안된다.

프로세스 동기화 해결책

Mutex Lock

• 동시에 공유 자원에 접근하는 것을 막기위해 임계 영역(Critical Section)에 진입하는 프로세스는 Lock을 획득하고 임계 영역을 빠져나올 때, Lock을 방출함으로써 동시에 접근이 되지 않도록 하는 기법이다.

Semaphores

• 소프트웨어 상에서 임계 영역 문제를 해결하기 위한 동기화 도구

종류

• 카운팅 세마포: 가용한 개수를 가진 자원에 대한 접근 제어용으로 사용되며, 세마포는 그 가용한 자원의 개수로 초기화된다. 자원을 사용하면 세마포가 감소, 방출하면 세마포가 증가한다.
• 이진 세마포: MUTEX라고도 불리며, 상호배제의 (Mutual Exclusion)의 머릿글자를 따서 만들어졌다. 이름 그대로 0과 1사이의 값만 가능하며, 다중 프로세스들 사이의 Critical Section 문제를 해결하기 위해 사용된다.