3.3.7 Shared Resources and Critical Sections

공유 자원과 임계 영역

공유 자원

공유 자원(shared resource)은 시스템 안에서 각 프로세스와 스레드가 함께 접근할 수 있는 자원입니다. 대표적으로 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등이 있습니다. 두 개 이상의 프로세스가 동시에 공유 자원에 접근하면 경합 상태(race condition)가 발생할 수 있습니다. 경합 상태는 여러 프로세스가 동시에 자원에 접근하면서 발생하는 상황으로, 접근 순서에 따라 결과가 달라질 수 있는 문제를 유발합니다.

예를 들어, 두 프로세스가 같은 변수에 접근하여 값을 증가시키는 상황을 생각해봅시다.

프로세스 A: 변수 += 100;
프로세스 B: 변수 += 100;

두 프로세스가 동시에 변수에 접근하여 100씩 증가시키려고 할 때, 제대로 동기화되지 않으면 최종 값은 200이 아니라 100이 될 수 있습니다. 이는 경합 상태로 인해 발생하는 문제입니다.

임계 영역

임계 영역(critical section)은 두 개 이상의 프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말합니다. 임계 영역 문제를 해결하기 위해서는 다음 세 가지 조건을 만족하는 동기화 기법이 필요합니다.

1. 상호 배제(mutual exclusion): 한 프로세스가 임계 영역에 들어가면 다른 프로세스는 들어갈 수 없다.

2. 한정 대기(bounded waiting): 특정 프로세스가 임계 영역에 들어가기를 무한히 기다려서는 안 된다.

3. 응답성(progress): 만약 임계 영역에 들어갈 프로세스가 없다면 대기 중인 프로세스가 임계 영역에 들어갈 수 있도록 해야 한다.

이러한 조건을 만족하기 위해 다양한 동기화 기법이 사용됩니다.

뮤텍스(Mutex)

뮤텍스는 상호 배제를 구현하기 위한 동기화 객체입니다. 뮤텍스를 사용하여 공유 자원을 보호하고, 한 번에 하나의 프로세스만 임계 영역에 들어갈 수 있도록 합니다.

• 잠금(lock): 프로세스가 임계 영역에 들어가기 전에 뮤텍스를 잠급니다.

• 해제(unlock): 임계 영역에서 나올 때 뮤텍스를 해제합니다.

뮤텍스를 사용하면 다음과 같이 임계 영역을 보호할 수 있습니다.

뮤텍스 잠금
공유 자원 접근
뮤텍스 해제

세마포어(Semaphore)

세마포어는 두 가지 주요 형태가 있습니다: 바이너리 세마포어와 카운팅 세마포어.

바이너리 세마포어

바이너리 세마포어는 값이 0 또는 1인 세마포어로, 뮤텍스와 유사하게 동작합니다. 바이너리 세마포어는 다음과 같은 특징을 가집니다:

• 값이 0: 임계 영역에 프로세스가 들어가 있는 상태.

• 값이 1: 임계 영역이 비어 있는 상태.

바이너리 세마포어는 주로 상호 배제를 구현하는 데 사용됩니다. 뮤텍스와 달리 바이너리 세마포어는 신호 메커니즘으로도 사용될 수 있습니다.

카운팅 세마포어

카운팅 세마포어는 0 이상의 정수 값을 가지는 세마포어로, 동시에 여러 프로세스가 임계 영역에 들어갈 수 있도록 합니다. 카운팅 세마포어는 다음과 같은 특징을 가집니다:

• 초기값: 임계 영역에 동시에 들어갈 수 있는 최대 프로세스 수.

• wait 연산: 세마포어 값을 감소시키고, 값이 0보다 작아지면 대기합니다.

• signal 연산: 세마포어 값을 증가시키고, 대기 중인 프로세스를 깨웁니다.

카운팅 세마포어는 제한된 자원을 관리하는 데 유용하며, 동시에 여러 프로세스가 자원에 접근할 수 있도록 제어합니다.

공유 자원과 동기화 예시

다음은 두 개의 프로세스가 동일한 변수에 접근하여 값을 증가시키는 상황을 동기화 기법으로 해결하는 예시입니다.

바이너리 세마포어를 사용한 동기화

1. 프로세스 A와 프로세스 B가 변수에 접근하기 전에 바이너리 세마포어를 이용하여 wait 연산을 수행합니다.

2. 변수 값을 증가시킵니다.

3. 작업이 끝난 후 signal 연산을 수행하여 바이너리 세마포어 값을 원래대로 복원합니다.

바이너리 세마포어 wait
변수 += 100
바이너리 세마포어 signal

카운팅 세마포어를 사용한 동기화

1. 프로세스 A와 프로세스 B가 변수에 접근하기 전에 wait 연산을 수행하여 카운팅 세마포어 값을 감소시킵니다.

2. 변수 값을 증가시킵니다.

3. 작업이 끝난 후 signal 연산을 수행하여 카운팅 세마포어 값을 증가시킵니다.

카운팅 세마포어 wait
변수 += 100
카운팅 세마포어 signal

모니터(Monitor)

모니터는 고급 동기화 기법으로, 프로세스 간의 동기화를 쉽게 하기 위해 상호 배제와 조건 변수를 제공합니다. 모니터는 자바와 같은 고급 언어에서 기본적으로 제공하며, 임계 영역에 대한 접근을 자동으로 관리합니다.

• 잠금 및 해제: 모니터는 임계 영역에 대한 접근을 자동으로 잠그고 해제합니다.

• 조건 변수: 조건 변수를 사용하여 특정 조건이 만족될 때까지 대기하거나, 조건이 만족되면 대기 중인 프로세스를 깨웁니다.

공유 자원과 동기화 예시

다음은 두 개의 프로세스가 동일한 변수에 접근하여 값을 증가시키는 상황을 동기화 기법으로 해결하는 예시입니다.

뮤텍스를 사용한 동기화

1. 프로세스 A와 프로세스 B가 변수에 접근하기 전에 뮤텍스를 잠급니다.

2. 변수 값을 증가시킵니다.

3. 작업이 끝난 후 뮤텍스를 해제합니다.

이렇게 하면 두 프로세스가 동시에 변수에 접근하여 값을 증가시키는 경합 상태를 방지할 수 있습니다.

코드 복사뮤텍스 잠금
변수 += 100
뮤텍스 해제

세마포어를 사용한 동기화

1. 프로세스 A와 프로세스 B가 변수에 접근하기 전에 wait 연산을 수행하여 세마포어 값을 감소시킵니다.

2. 변수 값을 증가시킵니다.

3. 작업이 끝난 후 signal 연산을 수행하여 세마포어 값을 증가시킵니다.

이 방법으로도 두 프로세스가 동시에 변수에 접근하여 값을 증가시키는 경합 상태를 방지할 수 있습니다.

세마포어 wait
변수 += 100
세마포어 signal

결론

공유 자원과 임계 영역은 멀티프로세스와 멀티스레드 환경에서 자주 발생하는 문제입니다. 이를 해결하기 위해서는 뮤텍스, 세마포어, 모니터와 같은 동기화 기법을 사용하여 경합 상태를 방지하고, 안정적이고 효율적인 자원 관리를 구현해야 합니다. 이러한 동기화 기법을 이해하고 적절히 사용하는 것이 안정적이고 효율적인 시스템을 구축하는 데 중요합니다.