[운영 체제] 동기화 해결 방법 (1) - 뮤텍스 락과 세마포

동기화 해결의 세 가지 원칙

1. 상호 배체: 한 프로세스가 임계 구역에 진입했다면 다른 프로세스는 대기해야 함
2. 진행: 어떤 프로세스도 임계 구역에 진입하지 않았다면 진입이 가능해야 함
3. 유한 대기: 한 프로세스가 임계 구역 진입을 위해 대기하고 있다면 언젠간 진입이 가능해야 함

 

뮤텍스 락(Mutex Lock) - 상호 배제를 위한 동기화 도구

뮤텍스 락은 한 마디로 자물쇠(lock)다.

간단하게 설명해 보자면,

• 자물쇠 역할: 프로세스들이 공유하는 전역변수 lock
• 자물쇠 잠그기: acquire 함수 (임계 구역 진입 전 실행되는 함수)
• 자물쇠 열기: release 함수

 

acquire() {
    while (lock == true)    /* 만약 임계 구역이 잠겨있다면 */
        ;                   /* 임계구역이 잠겨있는지를 반복적으로 확인 */
    lock = true             /* 만약 임계 구역이 잠겨있지 않다면 임계구역 잠금 */

｝

release () {
    lock = false;           /* 임계구역 작업이 끝났으니 잠금 해제 */
｝

 

• while() 문에서 계속 lock이 잠겨있는지, 열려있는지 확인하는 과정을 바쁜 대기(busy waiting)이라고 부른다.

 

세마포: 상호 배제 & 실행 순서 제어를 위한 동기화 도구

여기서 말하는 세마포는 카운팅 세마포를 나타낸다.

• 뮤텍스 락은 기본적으로 공유 자원이 하나일 경우 상정(위 코드 예시처럼 lock이 하나일 때)
• 세마포는 공유 자원이 여러 개 있을 경우도 동기화(실행 순서 제어, 상호 배제 동기화) 가능

1. 변수 S: 임계 구역에 진입할 수 있는 프로세스의 개수(사용 가능한 공유 자원의 개수)
2. wait 함수: 임계구역에 들어가도 좋은지, 기다려야 할지를 알려주는 함수
3. signal 함수: 임계구역 앞에서 기다리는 프로세스에게 ‘이제 가도 좋다’고 신호를 주는 함수

 

wait()
// 임계 구역
signal()

 

wait() {
    while(s <= 0)    /* 1 */
    ;                /* 2 */
    s --;            /* 3 */
}

 

1: 만일 임계구역에 진입할 수 있는 프로세스 개수가 0 이하라면 (= 진입할 수 없다면)
2: 사용할 수 있는 자원이 있는지 반복적으로 확인
3: 임계구역에 진입할 수 있는 프로세스 개수가 하나 이상이라면 S를 1 감소시키고 임계구역 진입

 

signal() {
    s++     /* 1 */
}

 

1: 임계구역에서의 작업을 마친 뒤 s 1 증가

 

세마포 상호 배제 설명

 

그런데 사실 바쁜 대기 (무한히 반복해서 상태 체크하는 방식)는 불필요하게 cpu를 낭비할 수 있으니 그렇게 좋은 방식은 아니다. 그래서 세마포에선 다른 방식을 사용할 수 있다.

 

프로세스 상태 전이 활용

바쁜 대기를 상태 대기로 바꾼 것이다. 무한 반복 확인을 대기 상태로 바꾼 것뿐

 

wait() {
    s --;
    if ( s < 0) {
        add this process to Queue;    /* 1 */
        sleep();                      /* 2 */
    }
｝

 

1: 해당 프로세스 PCB(Process Control Block)를 세마포 큐에 삽입
2: 대기 상태로 접어들기

 

signal() {
    s++
    if ( s < 0) {
        remove a process P from Queue    /* 1 */
        wakeup(p)                        /* 2 */
    }
｝

 

1: 세마포 큐에 있는 프로세스 제거
2: 프로세스를 대기상태에서 준비상태로 만들기

 

프로세스 상태 전이

 

 

실행 순서 제어를 위한 동기화

• 실행 순서를 위한 동기화
• 먼저 실행할 프로세스 뒤에 signal
• 나중에 실행할 프로세스 앞에 wait

실행 순서 제어를 위한 동기화