Critical Section Problem: 프로세스 동기화가 필요한 상황

지금까지는 프로세스나 스레드를 동시에 사용하는 멀티프로세싱, 멀티스레딩에 대해서 알아보았다.

CPU 이용률을 높히고 반응성이 좋아졌지만, 문제점도 존재한다.

이번 시간에는 어떠한 문제가 있는지 알아보겠다.

 

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[문제] data inconsistency

프로세스나 스레드가 concurrently(시분할) or parallel(멀티코어)하게 진행될 경우, 공유 데이터의 일관성이 깨질 수 있다.

 

예를 들어, 아래 코드의 경우를 보자.

conurrent하게 실행될 경우, instruction 진행 '도중에' interrupted 될 수 있는데, 그 경우 data integrity가 깨질 수 있다.

int counter = 0;

void *run1(void *param){
	for (int i = 0; i < 10000; i++)
		counter++;
	pthread_exit(0);
}

void *run2(void *param){
 	for (int i = 0; i < 10000; i++)
 		counter--;
 	pthread_exit(0);
}

int main(){
	pthread_t tid1, tid2;
	pthread_create(&tid1, NULL, run1, NULL);
	pthread_create(&tid2, NULL, run2, NULL);
	pthread_join(tid1, NULL);  //tid1, tid2가 context switching하며 번갈아 실행된다
	pthread_join(tid2, NULL);
	printf("%d\n", counter); //counter==0이 아닐 수 있다..!
}

count++, count--는 1개의 명령어처럼 보이지만, 사실은 기계어로 3개의 명령어이다.

count++, count--

count++이나 count-- 실행 도중 문맥 교환이 일어날 경우, 다음과 같이 데이터 일관성이 깨질 수 있다.

1. count=5이고 count++을 실행하던 도중 3번째 명령어에서 interrupted가 걸렸다.

   count에 resigter1의 값이 아직 반영되지 못하고 PCB에 context가 저장된다.

2. 다음 스레드에서 count--가 실행됐는데, 이때 count=5이다. count--가 완전히 실행되어 count=4가 되었다.

3. 다시 context switch가 일어났을 때, 이전에 진행하던 명령어가 마저 실행된다. counter=register1=6

 

Critical Section Problem

예를 들어 한 계좌에 대하여 두 사람이 동시에 withdraw(), deposit()을 호출하여 계좌 잔액의 일관성이 깨질 수 있다.

Race Condition

이처럼 여러 프로세스나 스레드가 공유 자원에 동시에 접근해 조작하는 상황을 Race condition이라고 한다.

Example of race condition

Critical section

공유 자원에 접근하는 코드 영역. 동시 작업하면 안 된다.

while(true){
    {entry-section} //진입 권한 획득
    {critical-section}
    {exit-section} //권한 반환
    
    {remainder-section}
}

한 프로세스가 임계 구역에서 실행하고 있으면, 다른 프로세스들은 임계구역에서 실행해선 안된다.

※ 비선점형(nonpreemptive) 커널에서는 경쟁 상황이 발생하지 않으므로 임계영역 문제를 고려할 필요가 없다

Synchronization

이러한 상황으로부터 data integrity를 보장하기 위해선 한 시점에 하나의 프로세스만 공유 자원에 접근하게 해야 한다.

즉, 동기화를 해야한다.

Critical Section Problem 해결을 위한 3가지 조건

1. Mutual Exclusion (상호 배제)

한 프로세스가 임계 영역에서 작업 중이라면, 다른 프로세스는 임계 영역에 진입할 수 없다.

임계구역 내에는 한 번에 하나의 프로세스만 있어야 한다.

▷ deadlock과 starvation 발생 가능

 

2. Progress (avoid deadlock)

비어 있으면 언제든 사용할 수 있어야 한다.

어떤 프로세스도 임계 구역에서 작업하고 있지 않다면, 다음 프로세스가 진입할 수 있어야 한다.

 

3. Bounded Waiting (avoid starvation)

무한 대기하지 않아야 한다. 즉, 특정 프로세스가 임계구역에 진입하지 못하면 안 된다.

진입 횟수에 제한을 두어 다른 프로세스도 임계 구역에 들어갈 수 있도록 한다.

 

 

single-core 환경에서의 단순한 해결책

Single-core 시스템에서는 단순하게 인터럽트를 방지하는 것만으로 임계영역 문제를 해결할 수 있다.

공유 자원이 변경 중인 중간에 interrupt가 걸리지 않도록 막는다.

하지만 멀티프로세서 환경에선 유연하지 못하다.

융통성 없이 모든 코어에서 인터럽트 발생을 막는다면 진행이 너무 더디게 된다..

 

 

 

 

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참고 자료 & 이미지 출처
운영체제 공룡책 강의 (주니온 님)
Operating System Concepts, 10th Ed (Silberschatz et al)
쉽게 배우는 운영체제 (조성호 님)