[Operating System] 공유 자원과 임계 영역

공유 자원(shared resource)

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

 

출처 : 면접을 위한 CS 전공지식 노트(2022)

 

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.

이러한 경쟁 상태가 발생하면 공유 자원 접근 순서에 따라 실행 결과가 달라질 수 있다.

 

위 그림과 같이 프로세스 A와 B가 동시에 접근하여 경쟁 상태가 발생할 수 있다.

그 결과 값이 맞지 않는 값이 출력되었다.

 

임계 영역(critical section)

둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역이다.

 

임계 영역을 해결하기 위한 방법은 뮤텍스, 세마포어, 모니터로 크게 세 가지가 있다.

이 방법은 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성 조건을 만족한다.

 

* 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 안된다.

 

세 방법의 토대가 되는 매커니즘은 잠금(lock)이다.

예를 들어 임계 영역이 화장실이라면,

화장실에 어떤 사람이 들어가고 문을 잠근 후 다른 사람이 이 사람이 나오기를 기다리다가 나오면 화장실을 쓰는 것과 같다.

 

뮤텍스(mutex)

출처 : 면접을 위한 CS 전공지식 노트(2022)

프로세스가 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고,

사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체를 말한다.

 

잠금이 설정되면 다른 프로세스나 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없고 해제는 그와 반대다.

뮤텍스는 잠금 또는 잠금 해제라는 상태만 가진다.

 

세마포어(semaphore)

일반화된 뮤텍스를 말한다.

간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait(P 함수), signal(V 함수)로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다.

 

• wait() : 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수
• signal() : 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수

출처 : 면접을 위한 CS 전공지식 노트(2022)

프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근하면 세마포어에서 wait() 작업을 수행한다.

프로세스나 스레드가 공유 자원을 해제하면 세마포어에서 signal() 작업을 수행한다.

 

세마포어에는 조건 변수가 없다.

프로세스나 스레드가 세마포어 값을 수정할 때 다른 프로세스나 스레드는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없다.

 

바이너리 세마포어

0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어.

 

뮤텍스와 구현의 유사성이 있다.

다만 뮤텍스는 잠금을 기반으로 상호 배제가 일어나는 잠금 매커니즘이다.

세마포어는 신호를 기반으로 상호 배제가 일어나는 신호 매커니즘이다.

신호 매커니즘은 휴대폰에서 노래를 듣다가 친구로부터 전화가 오면 노래가 중지되고 통화 처리 작업에 관한 인터페이스가 등장하는 것과 같다.

 

카운팅 세마포어

여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어다.

여러 자원에 대한 접근을 제어하는 데 사용된다.

 

모니터

둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 

공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공한다.

 

출처 : 면접을 위한 CS 전공지식 노트(2022)

그림과 같이 모니터는 모니터 큐를 통해 공유 자원에 대한 작업을 순차적으로 처리한다.

 

모니터는 세마포어보다 구현하기 쉽다.

모니터는 상호 배제는 자동인 반면 세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 한다. 

 

참조

• 주홍철, 면접을 위한 CS 전공지식 노트, 길벗(2022)
• 조성호, 쉽게 배우는 운영체제, 한빛아카데미(2018)