[운영체제] 4. 프로세스 동기화 - 뮤텍스, 세마포어, 모니터, 데드락

📎 병행성과 병렬성의 차이

• 병행성(Concurrency): 여러 작업이 동시에 실행되는 것처럼 보이지만, 실제로는 작은 단위로 번갈아가며 실행된다.
  • 예를 들어, 단일 코어 CPU에서 멀티태스킹을 수행할 때 병행성이 적용된다.
• 병렬성(Parallelism): 여러 작업이 실제로 동시에 실행된다.
  • 멀티코어 CPU에서는 여러 스레드가 각기 다른 코어에서 동시에 실행될 수 있어 병렬 처리가 가능하다.

 

📎 프로세스 동기화의 필요성

[운영체제] 2. 프로세스와 스레드 : PCB, TCB, 프로세스의 상태 전이, IPC

 

이전 글에서 언급했듯이 프로세스나 스레드가 공유 자원에 동시에 접근하면 경쟁상태가 발생해 동시성 이슈 (데이터의 일관성 문제)가 발생할 수 있다. 예를 들어, 두 개의 스레드가 같은 변수를 동시에 수정하려 하면 예상치 못한 결과가 나올 수 있다.

 

이를 방지하기 위해 프로세스 동기화가 필요하며, 이를 통해 데이터 무결성 및 일관성을 유지할 수 있다.

 

 

📎 Critical Section과 Race Condition

공유 자원과 경쟁 상태 (Race Condition)

공유자원은 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수 등을 말한다. 이 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰이는 상황을 경쟁 상태(race condition)라고 한다. 이 때문에 접근의 타이밍이나 순서 등이 결과값에 영향을 준다. 경쟁상태가 발생하는 예시는 아래와 같다. 

• 공유 메모리를 사용하는 프로세스
• 커널 모드에서 작업 수행 중 인터럽트 발생
• 시스템 콜 호출 후 컨텍스트 스위치 발생
• 멀티 프로세서 환경에서 공유 메모리 접근

 

Critical Section (임계 영역)

 

 

임계 영역이란 동시에 접근하면 문제가 발생할 수 있는 공유 자원을 보호해야 하는 코드 영역이다. 임계영역 문제를 해결하기 위한 방법으로는 다음이 있다. 

 

상호 배제(mutual exclusion)

• 한 프로세스가 임계구역에 들어가면 다른 프로세스는 임계구역에 들어갈 수 없다
• 예 : 뮤텍스, 모니터, 스핀락

 

한정 대기(bounded waiting)

• 상호 배제 때문에 기다리게 되는 프로세스가 무한 대기하지 않아야 한다. 즉, 공정성을 보장해 일정한 순서대로 접근할 수 있게 한다
• 무한 대기가 발생하면 기아 상태가 되기 때문 
• 예 : 세마포터, 조건 변수 

 

진행의 융통성(progress flexibility, progress)

• 임계영역에 아무도 없으면, 기다리지 말고 즉시 접근 가능해야 한다. == 불필요한 대기 없애자
• 예 : CAS(Compare-And-Swap), Ticket Lock, Fair Lock

 

 

 

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📎 동기화를 위한 주요 도구 - 1. 뮤텍스 (Mutex)

 

뮤텍스는 Mutual Exclustion 의 줄임으로, 하나의 프로세스만 임계 구역에 접근하도록 보장하는 락 메커니즘이다

 

특징

• 한 번에 하나의 프로세스만 락을 가질 수 있고, 락을 소유한 프로세스만 해제가 가능하다
• lock()으로 임계 구역에 진입, unlock()으로 락 해제

동작 과정

1. 스레드 A가 lock()을 호출하여 뮤텍스를 획득
2. 스레드 A가 임계 구역 코드 실행
3. 스레드 A가 unlock()을 호출하여 락 해제
4. 대기 중이던 스레드 B가 lock()을 획득하고 실행

 

 

 

 📎 동기화를 위한 주요 도구 - 2. 세마포어 (Semaphore)

 

세마포어는 임계 구역에 접근할 수 있는 스레드 수를 제한하는 동기화 기법으로, 시그널 메커니즘이다. 

 

특징 

• 세마포어 변수 S는 사용 가능한 자원의 개수를 의미한다. 
  • lock을 얻어서 자원을 사용할때는 wait(P 연산)의 S를 감소시키고, 자원을 해제할때는 signal(V 연산)의 S를 증가시킨다
• 스레드가 자원을 소유하지 않아도 해제 가능하다

 

종류

• 이진 세마포어 (Binary Semaphore): S의 값이 0과 1인 세마포어
  • mutex lock과 유사
  • mutex는 lock을 건 프로세스만 해제 할 수 있지만, 세마포어는 상관없다는 것만 차이가 있음
• 계수형 세마포어 (Counting Semaphore): S 값 상관없음 
  • 세마포어 변수 S는 사용 가능한 자원의 개수, 따라서 0이면 S가 0 초과가 될때까지 블로킹된다 
  • 위의 특징이 계수형 세마포어

 

동작 과정

1. 스레드가 wait(P) 호출 → S-- (자원 사용)
2. 자원이 없으면 블로킹(대기)
3. 다른 스레드가 signal(V) 호출 → S++ (자원 반환)
4. 대기 중인 스레드가 깨어나서 실행

 

 

 

 📎 동기화를 위한 주요 도구 - 3. 모니터 (Monitor)

모니터는 임계 구역을 관리하는 더 고수준의 동기화 도구로, 객체 내부에 뮤텍스(락)과 조건 변수를 포함하는 추상데이터 타입이다.

 

등장 배경 (뮤텍스와 세마포어의 한계)

• 뮤텍스는 락만 제공해 특정 조건이 충족될때까지 대기하는 기능이 부족하다
• 세마포어는 시그널 메커니즘으로, 여러 세마포어를 조합하면 복잡해진다

 

특징

• 뮤텍스 + 조건 변수(Condition Variable)
• 특정 조건을 만족할 때까지 스레드 대기 가능
• 객체지향 언어에서 클래스 단위로 동기화를 제공

 

동작과정

1. 스레드가 모니터 내부의 lock()을 획득
2. 특정 조건이 충족되지 않으면 wait() 호출 후 대기
3. 다른 스레드가 notify() 또는 notifyAll()을 호출하여 조건을 만족하면 깨어남
4. unlock() 후 다른 스레드가 실행

 

 

 

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 📎 교착상태와 발생 조건 

Deadlock (교착 상태)

데드락이란 두 개 이상의 프로세스가 서로가 가진 자원을 기다리며 영원히 멈춰버리는 상태를 의미한다.

데드락의 발생 조건

데드락은 이 네개의 조건이 모두 만족되어야 발생한다. 

1. 상호배제(Mutual Exclusion): 한 번에 하나의 프로세스만 자원을 사용할 수 있음
2. 점유 및 대기(Hold and Wait): 프로세스가 이미 할당된 자원을 점유한 채 추가 자원을 기다림
3. 비선점(No Preemption): 프로세스가 다른 프로세스의 자원을 강제로 가져올 수 없음
4. 원형 대기(Circular Wait): 프로세스 간 자원을 요청하는 순환 구조가 존재

 

 

📎 교착상태 해결 방법

교착상태 예방

교착상태를 유발하는 4가지 조건을 무력화해 아예 일어나는걸 방지하는 방법이다. 

 

• 상호배제 방지
  • 시스템 내에 있는 상호 배타적인 모든 자원, 즉 독점적으로 사용할 수 있는 자원을 없애버리는 방법이다
  • 하지만 현실적으로 모든 자원을 공유하다는 게 불가능해서 적용하기 어려움
• 점유 및 대기 방지
  • 프로세스가 자원을 점유한 상태에서 다른 자원을 기다리지 못하게 하는 방법이다 
  • 즉, 점유할 자원을 처음부터 다 가지고 시작하거나 그러지 못할 거면 다 반납하는 방식
  • 하지만 자신이 사용할 자원을 미리 다 알기 어렵다는 점, 일괄적으로 점유하게되면서 활용도가 떨어진다는 점 등 문제 존재
• 비선점 방지
  
  • 모든 자원을 빼앗을 수 있도록 하는 방법이다 
  • 그런데 임계구역을 보호하기 위해 잠금을 사용하면 자원을 빼앗을 수 없어서 이또한 어렵다

어떤 자원을 빼앗을 지라도 어떤 기준으로 빼앗을지, 빼앗은 시간 중 얼마나 사용할지 결정하기 어렵다. 또한 이러한 선점 방식은 기아현상을 일으킨다. 가령 우선순위 별로 높은 프로세스가 자원을 무조건 먼저 선점해버린다면 우선 순위가 낮은 프로세스는 기아 상태에 빠지게 된다. 무조건적으로 에이징을 사용하는 것도 해결방법은 아니다. 에이징을 사용하여 특정 조건 이상일 때는 무조건 해당 자원을 사용할 수 있도록 한다는 것 자체가 비선점 효과를 일으켜 데드락에 빠지게 할 수 있기 때문이다.

• 원형대기 방지
  • 모든 프로세스가 정해진 순서대로만 자원을 할당 받게 하는 방법이다 
  • 순서는 어떻게 정할 것인지에 대한 문제가 존재 

 

교착상태 회피

교착 상태 회피는 프로세스에 자원을 할당할 때 어느 정도 이상의 자원을 나누어주면 교착 상태가 발생하는지를 파악해, 그 수준 이하로 자원을 나누어주는 방법이다. 교착 상태가 발생하지 않는 범위 내에서만 자원을 할당하고, 교착 상태가 발생하는 범위에 있으면 프로세스를 대기시킨다.

 

하지만 이 또한 안전한 자원의 양을 정확히 파악하는 게 어려우며, 유한된 자원의 양이어야 하고, 자원을 할당하지 않고 아낀다는 점에서 문제가 있다. 

 

 

교착상태 검출 및 회복

 교착 상태 예방은 구현하기가 어렵고, 회피는 자원의 낭비 문제가 있다. 그런 점에서 검출이 가장 실행 가능한 방법이다. 

 

교착 상태 검출은 운영체제가 프로세스의 작업을 관찰하면서 교착 상태 발생 여부를 계속 주시하는 방식이다. 만약 교착 상태가 발견되면 이를 해결하기위해 교착 상태 회복 단계를 밟는다.

 

교착 상태가 검출되면 교착 상태를 푸는 후속 작업을 한다. 이를 교착 상태 회복이라고 한다. 교착 상태 회복 단계에서는 교착 상태를 유발한 프로세스를 강제 종료한다.

 

•  교착 상태를 일으킨 프로세스를 모두 종료 
• 교착 상태를 일으킨 프로세스 중 하나를 골라 순서대로 종료

중 하나의 방법을 선택해 종료한다. + 복구 

 

 

교착상태 무시

교착 상태가 발생해도 아무런 처리를 하지 않는 방법으로, 사용자가 알아서 이를 감지해 프로세스를 종료시키게 하는 방식 (사실 데드락은 드물어서)이다. 윈도우 등 현대 운영체제에 쓰이는 방법이다. 

 

 

 

참고자료

OS는 할껀데 핵심만 합니다. 9편 Critical section (임계 구역2) , mutex, semaphore, monitor, condition variable