[OS] 9. 프로세스 동기화 기법 | 뮤텍스 락 | 세마포 | 모니터

 

동기화 기법 중 뮤텍스 락, 세마포, 모니터에 대하여 알아봅니다.

 

1. 뮤텍스 락

• 상호 배제를 위한 동기화 도구(자물쇠 역할), 뮤텍스 락
• 뮤텍스 락의 단순한 형태: 전역 변수 하나, 함수 두 개
  • 자물쇠 역할: 프로세스들이 공유하는 전역 변수 lock
  • 임계 구역을 잠그는 역할: acquire 함수
  • 임계 구역의 잠금을 해제하는 역할: release 함수
• acquire 함수
  • 프로세스가 임계 구역에 진입하기 전에 호출
  • 임계 구역이 잠겨 있다면 >> 임계 구역이 열릴 때까지(lock이 false가 될 때까지) 임계 구역을 반복적으로 확인
  • 임계 구역이 열려 있다면 >> 임계 구역을 잠그기(lock을 true로 바꾸기)
• release 함수
  • 임계 구역에서의 작업이 끝나고 호출
  • 현재 잠긴 임계 구역을 열기(lock을 false로 바꾸기)

acquire(); // 자물쇠 잠겨 있는지 확인, 잠겨 있지 않다면 잠그고 들어가기
// 임계 구역 // 임계 구역에서의 작업 진행
release(); // 자물쇠 반환

acquire() { 
	while (lock == true) // 만약 임계 구역이 잠겨 있다면 
		;                  // 임계 구역이 잠겨 있는지를 반복적으로 확인
	lock = true;         // 만약 임계 구역이 잠겨 있지 않다면 임계 구역 잠금
}

release() {
	lock = false;        // 임계 구역 작업이 끝났으니 잠금 해제
}

 

 

2. 세마포

• 좀 더 일반화된 방식의 동기화 도구
• 공유 자원이 여러 개 있는 경우에도 적용 가능
• 세마포의 종류(이진 세마포, 카운팅 세마포) 중 카운팅 세마포를 다룹니다
• 임계 구역 앞에서 멈춤 신호를 받으면 잠시 기다리기 → 임계 구역 앞에서 가도 좋다는 신호를 받으면 임계 구역 진입
• 세마포의 단순한 형태: 전역 변수 하나, 함수 두개
  • 임계 구역에 진입할 수 있는 프로세스의 개수(사용 가능한 공유 자원의 개수)를 나타내는 전역 변수 S
  • 임계 구역에 들어가도 좋은지, 기다려야할지를 알려주는 wait 함수
  • 임계 구역 앞에서 기다리는 프로세스에 ‘이제 가도 좋다’고 신호를 주는 signal 함수

  wait()
  // 임계 구역
  signal()
  
  wait() {
  	while ( S <= 0)     // 만일 임계 구역에 진입할 수 있는 프로세스 개수가 0 이하라면 // 바쁜 대기
  	;                   // 사용할 수 있는 자원이 있는지 반복적으로 확인
  	S--;                // 임계 구역에 진입할 수 있는 프로세스 개수가 하나 이상이면 S를 1 감소시키고 임계 구역 진입
  }
  
  signal() {
  	S++;                // 임계 구역에서의 작업을 마친 뒤 S를 1 증가시킨다
  }
  

 

3. 바쁜 대기(busy waiting)

while (lock == true) // 만약 임계 구역이 잠겨 있다면 
;                    // 임계 구역이 잠겨 있는지를 반복적으로 확인

• 마치 탈의실 문이 열렸는지/닫혔는지 반복적으로 확인하는 것과 같다. → CPU 사이클 낭비!!
• 해결 방법
  • 사용할 수 있는 자원이 없을 경우 대기 상태로 만듦 (해당 프로세스의 PCB를 대기 큐에 삽입)
  • 사용할 수 있는 자원이 생겼을 경우 대기 큐의 프로세스를 준비 상태로 만듦 (해당 프로세스의 PCB를 대기 큐에서 꺼내 준비 큐에 삽입)

 

3-1. 바쁜대기를 해결한 세마포

wait() {
	S--;     
	if ( S <= 0 ) {     
		add this process to Queue;       // 해당 프로세스 PCB를 대기 큐에 삽입한다
		sleep();                         // 대기 상태로 접어든다
	}
}

signal() {
	S++;
	if ( S <= 0 ) {
		remove a process p from Queue;   // 대기 큐에 있는 프로세스 p를 제거한다
		wakeup(p);                       // 프로세스 p를 대기 상태에서 준비 상태로 만든다
}

 

3-2. 세마포를 활용한 실행 순서 동기화

• 세마포를 활용해서 실행순서를 보장해줌
• 방법
  • 세마포의 변수 S를 0으로 두고, 먼저 실행할 프로세스 뒤에 signal 함수, 다음에 실행할 프로세스 앞에 wait 함수를 붙이면 됨
  • 보장이 가능한 이유
    • P1이 먼저 실행, P2가 나중에 실행되어야 한다 했을 때 P1 → singnal() 순서, wait() → P2 순서이다.
    • 만약 P1이 먼저 실행된다면 P1이 먼저 실행, P2가 나중에 실행 이것이 보장되며
    • 만약 P2가 먼저 실행된다면 wait()함수 때문에 대기상태로 접어들기 때문에 P1이 먼저 실행된다.

3-3. 모니터

• 매번 임계 구역 앞뒤로 wait(), signal()을 호출해야 하나? 그러나 실수라도 하면? → 세마포어는 사용자 입장에서 사용하기 번거롭다는 단점 존재
• 그래서 등장한 도구가 “모니터”
• 모니터란 상호배제를 위한 동기화와 실행 순서 제어를 위한 동기화 방식 2가지를 모두 제공해주는 동기화 도구
  • 상호 배제를 위한 동기화
    • 인터페이스를 위한 큐
    • 공유자원에 접근하고자 하는 프로세스를 (인터페이스를 위한) 큐에 삽입
    • 큐에 삽입된 순서대로 (한 번에 하나의 프로세스만) 모니터에 진입해서 공유 자원 이용
  • 실행 순서 제어를 위한 동기화
    • 조건 변수를 이용하여 실행 순서 제어 
      • 조건 변수: 프로세스나 스레드의 실행 순서를 제어하기 위해 사용하는 특별한 변수
      • 조건변수.wait(): 대기 상태로 변경, 조건 변수에 대한 큐에 삽입
      • 조건변수.signal(): wait()으로 대기 상태로 접어든 조건 변수를 실행 상태로 변경조건 변수를 이용하여 실행 순서 제어
    • 모니터 안에는 하나의 프로세스만이 있을 수 있다
      • 두가지 방식이 있음
        • wait()를 호출했던 프로세스는 signal()을 호출한 프로세스가 모니터를 떠난 뒤에 수행을 재개
        • signal()을 호출한 프로세스의 실행을 일시 중단하고 자신이 실행된 뒤 다시 signal()을 호출한 프로세스의 수행을 재개
    • 핵심은 다음과 같음
      1. 특정 프로세스가 아직 실행될 조건이 되지 않았을 때에는 wait를 통해 실행을 중단한다
      2. 특정 프로세스가 실행될 조건이 충족되었을 때에는 signal을 통해 실행을 재개한다

 

 

 

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『혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제』 강의 내용을 기반으로 작성된 글입니다