[운영체제] 공유 자원과 임계 영역

공유 자원(shared memory)

공유 자원은 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수 등을 의미한다.

이 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태(race condition)이라 한다. 

동시에 접근을 시도할 때, 접근의 타이밍이나 순서 등이 결괏값에 영향을 줄 수 있는 상태인 것이다.

공유 자원 예시

전역 변수 '예금'에 10만원이 저장되어 있다. 프로세스 P1이 예금을 확인하고, 프로세스 P2가 예금을 확인한 뒤에 예금에 5만원을 추가하고 예금을 저장한다. 이때 추가한 예금이 프로세스 P1에는 업데이트되지 않는다. 

그 이후에, 프로세스 P1이 프로세스 P2가 예금을 추가하기 전에 확인해둔 예금 금액에 10만원을 추가하고 예금을 저장한다.

그 결과, 올바른 결과값은 25만원이지만, 프로세스 P1, P2에서는 틀린 예금 값을 가지게 된다. 

 

임계 영역(critical section)

임계 영역은 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말한다.

임계 영역을 해결하기 위한 방법은 크게 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세 가지가 있다. 이 방법은 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이란 조건을 만족한다. 

이 방법에 토대가 되는 메커니즘은 잠금(lock)이다. 

• 상호 배제 : 한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없다.
• 한정 대기 : 특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안된다.
• 융통성 : 한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해해서는 안 된다.

뮤텍스(mutex)

프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체이다.

잠금이 설정되면 다른 프로세스나 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없고 해제는 그와 반대로 다른 프로세스나 스레드가 잠겼던 코드 영역에 접근할 수 있게 된다. 

또한 뮤텍스는 잠금 또는 잠금 해제라는 상태만을 가진다.

mutex

세마포어(semaphore)

세마포어는 일반화된 뮤텍스이다. 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait(P 함수라고 부르기도 함) 및 signal(V 함수라고 부르기도 함)로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다. 

wait()는 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수이며, signal()은 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수이다. 

세마포어

  프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근하면 세마포어에서 wait() 작업을 수행하고 프로세스나 스레드가 공유 자원을 해제하면 세마포어에서 signal() 작업을 수행한다.

세마포어에는 조건 변수가 없고 프로세스나 스레드가 세마포어 값을 수정할 때 다른 프로세스나 스레드는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없다. 

즉, 프로세스/스레드가 공유 자원에 접근하면 세마포어에서 wait() 작업을 수행하고,

해당 공유 자원을 사용중인 다른 프로세스/스레드가 공유 자원을 해제해서 세마포어에서 signal()이 발생할 때까지 대기한다.

 

바이너리 세마포어

바이너리 세마포어는 0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어이다.

구현의 유사성으로 인해 뮤텍스는 바이너리 세마포어라고 할 수 있지만, 엄밀히 말하면 뮤텍스를 잠금을 기반으로 상호배제가 일어나는 '잠금 메커니즘'이고, 세마포어는 신호를 기반으로 상호 배제가 일어나는 '신호 메커니즘'이다. 

 

카운팅 세마포어

카운팅 세마포어는 여러 개의 값을 가질 수 없는 세마포어이며, 여러 자원에 대한 접근을 제어하는 데 사용된다. 

유한한 개수를 가진 자원을 접근 제어하는데 사용된다. 세마포어는 가용한 자원의 개수로 초기화 되며 wait() 연산 수행시 세마포어 값은 감소한다. 이후 signal() 연산을 수행하면 세마포어 값은 증가한다. 세마포어 값이 0이 되면 모든 자원이 사용 중임을 나타낸다.

 

카운팅 세마포어의 간단한 예제는 다음과 같다.

semaphore s = 1;

void Process (int i) {
	while (true) 
  {
     wait(s); //세마포어 값을 감소시킨다.
        
     /* 임계 영역 */
        
     signal(s); //세마포어 값을 증가시킨다.
        
     /* 임계 영역 이후 코드 */
   }
}

변수 s를 가용한 자원의 개수인 1로 초기화한다. 그리고 각 프로세스마다 임계 영역 코드를 wait() 함수와 signal() 함수로 감싸줘서, 어떤 프로세스/스레드가 해당 임계 영역에 접근했을 때 wait() 함수로 세마포어 값이 0인 경우(접근 가능한 공유 자원이 없는 경우), 

다른 프로세스/스레드에서 signal()이 수행되어 세마포어 값이 0보다 커지면(접근 가능한 공유 자원이 되면), 대기 상태를 빠져나와 임계 영역 코드에 접근하고, 모두 수행하면 signal() 함수를 통해 세마포어 값을 증가시킨다(공유 자원을 해제한다). 

 

모니터

모니터는 둘 이상의 스레드/프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공한다.

모니터

위 그림처럼 모니터는 모니터 큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리한다. 

모니터는 세마포어보다 구현하기 쉬우며 모니터에서 작업들을 순차적으로 처리하기 때문에 상호 배제는 자동이다.

반면에, 세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 하는 차이점이 있다.