[운영체제] 프로세스 동기화

프로세스 간 통신의 개념

• 프로세스 내부 데이터 통신
  • 하나의 프로세스 내에 2개 이상의 스레드가 존재하여, 전역 변수나 파일을 이용해 데이터를 주고 받는다.
•  프로세스 간 데이터 통신
  • 같은 컴퓨터에 있는 여러 프로세스끼리 통신하는 경우로, 공용 파일 또는 운영체제가 제공하는 파이프를 사용하여 통신한다.

• 네트워크를 이용한 데이터 통신 : 여러 컴퓨터가 네트워크로 연결되어 있을 때의 통신 방식으로, 소켓을 이용해 통신한다. 이를 네트워킹이라고 한다. 원격 프로시져 콜도 이에 해당한다.

 

프로세스 간 통신의 분류

 

통신 방향에 따른 분류

• 양방향 통신
  • 데이터를 동시에 양쪽 방향으로 전송할 수 있는 구조. 소켓 통신이 이에 해당한다.
• 반양방향 통신
  • 양쪽 방향 모두에 전송할 수 있지만, 동시 전송은 불가능한 경우. 무전기가 이에 해당한다.
• 단방향 통신
  • 한쪽 방향으로만 데이터를 전송할 수 있는 구조. 전역 변수나 파이프가 이에 해당한다.

 

통신 구현 방식에 따른 분류

• 전역 변수를 이용한 통신의 문제는 언제 데이터를 보낼 지 받는 쪽에서 모르는 것
• 따라서 상태 변화를 살펴보기 위해 반복문을 무한 실행하며 기다리는 것 = busy waiting
• 이 문제를 해결하기 위해서 데이터가 도착했음을 알리는 동기화를 사용 
  • 대기가 있는 통신
    • 동기화를 지원하는 통신 방식. 데이터를 받는 쪽은 데이터가 도착할 때까지 자동으로 대기 상태에 모무른다.
  • 대기가 없는 통신
    • 동기화를 지원하지 않는다. 데이터를 받는 쪽은 busy waiting를 사용해 데이터 도착 여부를 직접 확인한다.

 

프로세스 간 통신의 종류

 

전역 변수를 이용한 통신

• 공동으로 관리하는 메모리를 사용하여 데이터를 주고받는 것
• 주로 직접적으로 관련이 있는 프로세스 간에 사용
• busy waiting를 통해 계속 전역 변수의 값을 확인해야하므로 비효율적이다.

 

파일을 이용한 통신

• 파일 열기
  • open()을 통해 사용하려는 파일이 있는지, 권한을 어떻게 줄 것인지 결정.
• 읽기 또는 쓰기
  • fd를 이용해 write(fd, "string", size), read(fd, str, size) 함수를 사용
• 파일 닫기
  • close(fd)를 통해 파일을 닫기

 

• 프로세스가 입출력 관리 프로세스에 읽기/쓰기를 요구하면 데이터가 하드디스크에 출력/저장된다. 
• 따라서 파일 입출력 또한 프로세스와 입출력 프로세스 간의 통신이라고 할 수 있다.

 

파이프를 이용한 통신

• 파이프는 운영체제가 제공하는 동기화 통신 방식
• open() 함수로 기술자를 얻고 작업을 한 후 close() 함수로 마무리
• 전역 변수 통신과 마찬가지로 단방향 통신이고 따라서 파이프를 2개를 사용해야 한다.

 

• 이름 없는 파이프
  • 일반적인 파이프, 부모와 자식, 혹은 형제 프로세스같이 서로 관련 있는 프로세스 간 통신에 사용
• 이름 있는 파이프
  • FIFO라 불리는 특수 파일을 이용해 서로 관련 없는 프로세스 간 통신에 사용.

 

소켓을 이용한 통신

• 네트워킹
  • 여러 컴퓨터에 있는 프로세스 간 통신
  • 네트워킹에서의 통신은 원격 프로시져 콜이나 소켓을 이용
• RPC
  • 다른 컴퓨터에 있는 함수를 호출
  • 일반적으로 원격 프로시져 콜은 소켓을 이용해 구현
• 바인딩
  • 소켓을 매개로 한 쪽의 프로세스와 다른쪽의 프로세스를 연결하는 작업
• 소켓은 한개만 사용해도 양방향 통신이 가능

 

 

 

공유자원의 접근

• 공유 자원(shared resource)
  • 여러 프로세스가 공동으로 이용하는 변수, 메모리, 파일
  • 공유 자원은 공동으로 이용되기 때문에 경우에 따라 결과가 달라질 수 있다. 
• 레이스 컨디션
  • 2개 이상의 프로세스가 공유 자원을 병행적으로 읽거나 쓰는 상황

 

임계구역

공유 자원 접근 순서에 따라 실행 결과가 달라지는 프로그램의 영역을 임계 구역(Critical Section)이라고 한다.

 

임계구역 해결 조건

• 상호 배제 (Mutual Exclusion)
  • 한 프로세스가 임계구역에 들어가면 다른 프로세스는 임계구역에 들어갈 수 없다.
• 한정 대기(bounded waiting)
  • 어떤 프로세스도 무한 대기 하지 않아야 한다.
• 진행의 융통성(progress flexibility)
  • 한 프로세스가 다른 프로세스의 진행을 막아선 안 된다.

 

피터슨 알고리즘

• 피터슨 알고리즘은 임계구역 해결의 3가지 조건을 만족하지만 2개의 프로세스만 사용 가능하다는 한계가 있다.
• 여러 프로세스를 사용하려면 공유변수를 추가해야한다.

 

데커 알고리즘

• 하드웨어의 도움 없이도 임계구역 문제 해결 가능.
• 매우 복잡하다는 단점

 

세마포어

• 세마포어는 임계구역에 진입하기 전에 스위치를 사용 중으로 놓고 임계구역에 들어간다.
• 작업을 마치면 다음 프로세스에 동기화 신호를 보낸다.

Semaphore(n);
P();

/* 임계 구역 */

V();

• Semaphore(n) : 전역 변수 RS를 n으로 초기화 한다. RS는 현재 사용 가능한 자원의 수 이다.
• P() : 잠금을 수행하는 코드로 RS가 0보다 크면 1만큼 감소시키고 임계구역에 진입, 0보다 작으면 0보다 커질때까지 기다린다.
• V() : 잠금 해제와 동기화를 수행하는 코드로, RS를 1 증가시키고 wake_up 신호를 보낸다.
• 세마포어에서 잠금이 해제되기를 기다리는 프로세스들은 세마포어 큐에 저장되어 있다가 wake_up신호를 받고나서 큐에서 나와 임계구역에 진입한다.
• 따라서 busy waiting을 하는 프로세스가 없다.

 

모니터

• 세마포어의 큰 문제는 잘못된 사용으로 인해 임계구역이 보호받지 못한다는 것
• 모니터는 공유 자원을 내부적으로 숨기고 공유 자원에 접근하기 위한 인터페이스만 제공해서 자원을 보호하고 프로세스 간에 동기화를 시킨다. = 시스템 호출

monitor shared_balance{
	private : 
    	int balance = 10;
        boolean busy=false;
        condition mon;
        
	public : 
    	increase(int amount) {
			if(busy==true) mon.wait();
            busy=true;
            balance=balance+amount;
            mon.signal();
		}
}

• busy = 잠금 역할 / mon = 잠금 해제 역할 / 공유 변수 balance
• 이 변수는 increase()를 통해서만 값을 변경 가능.
• increase()는 임계구역이 잠겼는지 확인한 후 예금액을 증가시킨다.

 

• 모니터를 사용하면 P()와 V()를 사용할 필요가 없이 increase()만 사용하면 된다.
• 모니터는 임계구역 보호와 동기화를 위해 내부적으로 상태 변수를 사용
  • wait() : 모니터 큐에서 자신의 차례가 올 때까지 기다린다. 세마포어의 P()에 해당한다.
  • signal() : 모니터 큐에서 기다리는 다음 프로세스에 순서를 넘겨준다. 세마포어의 V()에 해당한다.