9 Process Synchronization (프로세스 동기화)

프로세스 동기화는 다중 프로세스 또는 스레드가 함께 공유된 자원에 동시에 접근할 때 발생할 수 있는 문제를 해결하기 위한 기술이며 스레드 역시 동기화의 대상이지만 편의상 프로세스와 스레드를 합쳐서 프로세스 동기화라고 합니다. 

즉, 프로세스들이 질서 없이 실행된다면 시스템 오류가 일어날 가능성이 높습니다. 그렇기 때문에 프로세스들의 수행 시기를 맞추는 것이 필요하며 프로세스 동기화는 상호 배제와 순서 보장의 원칙에 기반합니다.

 

상호 배제 (Mutual Exclusion)

오직 하나의 프로세스만이 공유 자원에 접근할 수 있도록 하는 원칙입니다. Critical Section(임계 영역)이라 불리는 코드 영역에서는 한 번에 하나의 프로세스만이 실행되어야 합니다.

 

예시 1) Bank account problem 

1. 은행 계좌 : 10만 원
2. 프로세스 A : 계좌에 2만 원 입금
3. 프로세스 B : 계좌에 5만 원 입금
4. 예상 결과 : 계좌에 17만 원
5. 실제 결과 : 최종 잔액 15만 원!!  -> 프로세스 A에서 12만 원으로 값 저장했지만 B가 A가 끝나기도 전에 CPU 자원에 접근했기 때문에 공동으로 운영중이던 잔액의 값에 오류가 발생 

예시 2) Producer & Consumer problem 

Producer-Consumer 문제는 공유된 버퍼(또는 큐)에 대해 생산자(Producer)가 데이터를 생성하고 소비자(Consumer)가 데이터를 소비하는 동기화 문제입니다. 생산자는 버퍼가 가득 차 있을 경우 기다려야 하고, 소비자는 버퍼가 비어 있을 경우 기다려야 합니다.

• 생산자 (Producer): 버퍼에 데이터를 생성하여 추가함.
• 소비자 (Consumer): 버퍼에서 데이터를 소비함.
• 공유 버퍼 (Buffer): 생산자와 소비자 간의 통신을 위해 사용되는 공유 자원.

상호 배제 (Mutual Exclusion): 한 번에 하나의 프로세스만이 버퍼에 접근할 수 있어야 함.

 

 

순서 보장 (Ordering)

프로세스 간의 실행 순서를 명확하게 정의하여 예측 가능한 결과를 얻을 수 있도록 하는 원칙입니다. 특히, 여러 프로세스가 공유 자원에 대해 동시에 접근할 때 발생하는 경쟁 조건(Race Condition)을 방지합니다.

 

예시) Reader-writer problem: 텍스트 파일에 '쓰기' 프로세스가 실행되지도 않았는데 '읽기' 프로세스가 실행되는 문제 

 

 

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공유 자원(Shared Resource)

공유 자원은 여러 프로세스나 스레드에 의해 동시에 접근될 수 있는 데이터 또는 자원을 말합니다. 여러 개체가 공유 자원에 동시에 접근하면서 발생하는 동기화 문제를 해결하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 파일, 데이터 구조, 메모리 영역, 네트워크 자원 등이 공유 자원이 될 수 있습니다.

 

임계 구역(Critical Section)

임계 구역은 공유 자원에 대한 접근이 일어나는 코드 영역을 의미합니다. 여러 프로세스나 스레드가 동시에 임계 구역에 접근하면 예측 불가능한 결과가 발생할 수 있습니다. 따라서 임계 구역에 대한 상호 배제가 필요합니다. 상호 배제는 한 순간에 하나의 프로세스나 스레드만이 임계 구역에 들어갈 수 있도록 하는 것을 의미합니다.

임계 구역의 특징

• 상호 배제: 한 번에 한 프로세스나 스레드만이 임계 구역에 접근할 수 있어야 합니다.
• 임계 구역 진입 전 조건: 어떤 프로세스나 스레드도 임계 구역에 들어가기 전에는 특정 조건을 충족시켜야 합니다.
• 임계 구역 빠져나온 후 조건: 임계 구역을 빠져나온 후에도 특정 조건을 충족시켜야 합니다.
• 유한 대기: 임계 구역에 들어가려는 프로세스나 스레드는 유한 시간 안에 진입할 수 있어야 합니다.

임계 구역 문제는 프로세스 동기화를 통해 해결되며, 상호 배제를 위한 동기화 메커니즘(세마포어, 뮤텍스 등)을 사용하여 여러 프로세스나 스레드 간의 공유 자원 접근을 조절합니다.

 

 

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운영체제가 임계구역 문제를 해결하는 세 가지 원칙 (상호 배제를 위한 동기화 3가지 원칙)

1) 상호 배제 2) 진행 3) 유한 대기

 

 

뮤텍스 (Mutex)

뮤텍스(Mutex)는 프로세스 동기화를 위한 도구 중 하나로, 공유 자원에 대한 접근을 조절하여 여러 프로세스 또는 스레드가 동시에 수정하지 못하도록 보호하는 데 사용됩니다. 오직 하나의 프로세스만이 뮤텍스를 소유하고 임계 영역에 접근할 수 있습니다.

• 락(Lock) 상태: 한 프로세스나 스레드가 뮤텍스를 락(lock)하면, 다른 프로세스나 스레드는 해당 뮤텍스에 대한 락을 획득하기 전까지 대기해야 합니다. 이것은 공유 자원에 대한 동시 접근을 막아줍니다.
• 언락(Unlock) 상태: 뮤텍스를 언락(unlock)하면, 다른 대기 중인 프로세스나 스레드 중 하나가 뮤텍스의 락을 획득할 수 있습니다. 이로써 공유 자원에 대한 다음 순서의 접근이 허용됩니다.

뮤텍스 락은 주로 크리티컬 섹션(Critical Section)이라 불리는 코드 영역을 보호하기 위해 사용됩니다. 여러 프로세스나 스레드가 동시에 크리티컬 섹션에 접근하지 못하도록 하여 데이터의 일관성과 정확성을 유지합니다.

 

 

세마포어(Semaphore)

세마포어(Semaphore)는 프로세스 동기화를 위한 도구로, 공유 자원에 대한 접근을 조절하는 데 사용됩니다. 세마포어는 정수 변수로서, 해당 변수에는 두 가지 연산인 "P" (Wait)와 "V" (Signal)가 적용됩니다.

• P (Wait) 연산: P 연산은 세마포어 값을 감소시킵니다. 만약 세마포어 값이 0보다 크면 값을 감소시키고 계속 진행합니다. 그러나 세마포어 값이 0이면, 프로세스나 스레드는 대기 상태로 들어가게 됩니다. 이를 통해 세마포어는 특정 리소스의 사용 가능 여부를 표현합니다.
• V (Signal) 연산: V 연산은 세마포어 값을 증가시킵니다. 이 때, 만약 세마포어를 기다리고 있는 프로세스나 스레드가 있다면 하나를 깨우게 됩니다.

세마포어는 주로 크리티컬 섹션과 같이 공유 자원에 대한 접근을 제어하는 데 사용됩니다. 세마포어의 값은 해당 자원의 가용성을 나타내며, 여러 프로세스나 스레드 간에 이를 통해 상호 배제 및 동기화를 달성할 수 있습니다.

 

세마포어는 바이너리 세마포어와 카운팅 세마포어로 나뉩니다.

• 바이너리 세마포어: 값이 0 또는 1만을 가지며, 주로 락(lock)과 언락(unlock)의 상태를 나타냅니다. 이진 상태를 갖기 때문에 바이너리 세마포어라고 불립니다.
• 카운팅 세마포어: 값이 음수까지 가질 수 있으며, 주로 리소스의 개수를 나타냅니다. 여러 프로세스나 스레드가 동시에 해당 리소스에 접근하려고 할 때 사용됩니다.

세마포어는 프로세스 동기화 및 상호 배제를 위한 고급 도구로 널리 사용되어지고 있습니다.

 

 

모니터(Monitor)

모니터(Monitor)는 고급 프로그래밍 언어에서 제공되는 동기화 기법 중 하나로, 상호 배제와 조건 변수를 포함하는 추상적인 동기화 장치입니다. 모니터는 다중 스레드 환경에서 공유 자원에 대한 안전한 접근을 보장하고, 프로그래머에게 편리한 동기화 메커니즘을 제공합니다.

 

• 상호 배제(Mutual Exclusion): 모니터는 공유 자원에 대한 동시 접근을 막기 위해 상호 배제를 제공합니다. 한 번에 하나의 스레드만이 모니터에 들어가 접근할 수 있습니다.
• 조건 변수(Condition Variable): 조건 변수는 스레드 간의 통신을 위해 사용됩니다. 대기하고 있는 스레드들을 깨워 특정 조건이 충족되었을 때 실행되도록 할 수 있습니다.
• 진입 프로토콜(Entry Protocol): 모니터는 진입 프로토콜을 제공하여 모니터에 들어가려는 스레드가 안전하게 진입할 수 있도록 합니다.
• 데이터 은폐(Data Abstraction): 모니터 내부에 선언된 변수와 함수는 외부에서 직접적으로 접근할 수 없도록 데이터 은폐를 제공합니다. 이를 통해 모니터의 내부 구현이 변경되더라도 사용자 코드는 영향을 받지 않습니다.

쉽게 말하면, 모니터는 프로그래머가 공유 자원에 안전하게 접근하고 동기화할 수 있도록 추상화된 동기화 장치입니다. Java에서는 synchronized 키워드를 사용한 메서드나 블록이 모니터의 역할을 하며, Python에서는 threading 모듈의 Lock 클래스 등이 모니터와 유사한 역할을 합니다.

 

프로세스 동기화는 다중 프로세스나 다중 스레드 환경에서 데이터 일관성과 안전성을 보장하기 위해 필수적이며, 특히 공유 자원에 대한 접근을 조절함으로써 경쟁 조건과 데드락(Deadlock), 스타베이션(Starvation) 등의 문제를 방지합니다.