[운영체제] 프로세스 동기화

스케쥴링을 알아볼 때, 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘어가는 Context Switching을 알아봤었습니다.

프로세스는 최소 하나의 Thread라는 것을 포함하는데 사실 프로세스를 진행시키는 것은 Thread를 진행시키는 것입니다.

한 프로세스 내의 여러 개의 Thread가 스위칭되며 진행될 때 한 프로세스가 여러 동작을 하는 것처럼 보이고, 여러 프로세스의 여러 개의 Thread가 스위칭되며 진행될 때 여러 개의 프로세스가 동시에 동작되는 것처럼 보이게 됩니다.

따라서 Context Switching에서의 스위칭되는 요소는 사실 프로세스가 아니라 Thread라고 할 수 있습니다.

 

현대의 OS는 프로그램을 Thread단위로 실행하기 때문에 Thread에 대하여 더 알아볼 필요가 있습니다.

지난 포스팅에선 OS의 주요 기능 중 하나인 프로세스 관리의 Scheduling에 대하여 다뤘습니다.

이번에는 프로세스 관리 측면의 또 다른 기능인 Thread Synchronization에 대하여 알아볼 것입니다.

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Thread들은 프로세스의 메모리 공간과 자원 공유하지만 개별적인 PC, SP, 레지스터, 스택 등은 공유하지 않기 때문에, 공유하지 않는 정보들은 Context Switching이 발생할 때 PCB에 저장시켜놓습니다.

하지만 RAM에는 여러 프로세스가 존재하며, Thread들이 동시에 하나의 공유 자원 또는 주소에 접근하고 업데이트할 때 문제가 발생할 수 있습니다. 여기서 프로세스 간 공유하는 요소를 임계 구역(Critical Section)이라고 합니다. 

 

Critical Section

임계 구역에 복수의 Thread가 진입하여 해당 요소를 건드려 문제가 생기는 것을 방지하기 위한 조건이 있습니다. 

Mutual Exclusion : 임계 구역에는 한 번에 하나의 Thread만 접근할 수 있습니다.

Progress : 어느 Thread도 점유하고 있지 않은 임계 구역은 어떤 Thread도 진입할 수 있습니다.

Bounded Waiting : Starvation을 방지하기 위해서 Thread는 유한 시간 안에 임계 구역으로 진입할 수 있어야 합니다.

 

이렇게 공유 요소, 즉, 임계 구역을 어느 Thread가 어떤 순서로 사용할지 규칙을 정하는 것이 프로세스 동기화입니다.

스케쥴링 방식에도 여러 가지가 있듯이, 동기화에도 여러 방식이 존재하는데 이를 알아볼 것입니다.

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Mutex

Thread가 임계 구역에 진입하기 위해선 Key가 필요한데 Key가 하나뿐이라 임계 구역에는Thread가 하나만 진입할 수 있으며 임계 구역에 대한 용건이 끝나면 Thread는 Key를 반환합니다.

Mutex의 이름에서도 상호 배제(MUTual EXclusion)적인 성격을 알 수 있습니다.

 

Semaphore

임계 구역에 접근할 수 있는 최대 Thread의 개수가 정해져 있어서 Thread가 임계 구역에 들어올 때마다 앞으로 들어올 수 있는 Thread의 개수가 줄어드는 방식입니다. 들어올 수 있는 Thread의 개수가 0이면 해당 Thread는 먼저 들어간 Thread가 나올 때까지 대기해야 합니다. 임계 구역에 대한 용건이 끝나면 앞으로 들어올 수 있는 Thread의 개수를 증가시킨 후 나가게 됩니다.

임계 구역에 접근할 수 있는 최대 Thread의 개수가 1인 Binary Semaphore를 제외하곤 상호 배제적 성격이 없습니다.

 

Mutex와 Semaphore의 차이점

Mutex는 공유 자원을 보호하고, Semaphore는 Signaling을 위해 사용되어야하며, 반대 되는 목적을 가지면 안됩니다.