cs-study-05 | 운영체제(동기화)

프로세스와 쓰레드의 차이

운영체제는 시스템 자원을 효율적으로 관리하기 위해서 스레드를 사용한다

• 프로그램

  • 아직 실행하기 전 파일 , 정적인 상태 (클릭을 하지 않았다)
  • 예시 :: 은행 (영업전 / 영업중) (?) // 크레이지 아케이드 게임 그 자체

• 프로세스
  • 컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램, 동적인 상태
  • 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체)
  • 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위
  • 운영체제 입장에서의 최소 작업 단위
  • code, data, stack, heap 형식으로 메모리 영역을 OS로부터 할당 받는다
  • 하나의 프로세스는 하나 이상의 스레드를 가질 수 있다 (멀티 스레드)
  • 예시 :: ATM(1) , ATM(2) , ATM(3) // 물풍선에 맞는 프로세스, 남은 게임시간을 알려주는 프로세스, 물풍선이 블록을 깨는 프로세스

• 쓰레드

  • 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행흐름의 단위
  • CPU 입장에서의 최소 작업 단위
  • 프로세스 내에서 각각 stack만 할당받고 code, data,heap 영역은 공유한다
  • 예시 :: 입금, 출금, 계좌확인, 송금 // 물풍선에 맞는 프로세스일 경우 (물안에 갇힘, 물안에 갇히는 시간계산,물풍선이 터지는 것)

프로세스(쓰레드) 동기화

• 병행 프로세스 : CPU는 하나의 프로세스만 처리할 수 있는데 여러 프로세스들이 동시에 존재하며 실행 상태에 있는 것이다
• 프로세스 동기화란 여러 프로세스가 공유하는 자원의 일관성을 유지하는 것이다
• 발생할 수 있는 문제 예시
  • 계좌에 입금과 출금을 하려는데 입금,출금 쓰레드에 시간지연만 줘도 공통변수에 대한 동시 업데이트로 인해 변수값이 수행될 때마다 다르게 출력된다

임계구역(Critical section)

• 여러 개의 쓰레드가 수행되는 시스템( 멀티 쓰레드 )에서 각 쓰레드들이 공유하는 데이터 (변수, 테이블, 파일 등)을 변경하는(접근하는) 코드 영역이다
• 임계구역 문제를 해결하기 위해서 3가지 조건을 충족시켜야한다
  1. 상호배제 (Mutual Exclusion) : 오직 한 쓰레드만 진입 가능하다. 한 쓰레드가 임계구역에서 수행 중인 상태에서는 다른 쓰레드는 절대 이 구역에 접근 할 수 없다 ( 입금 or 출금 하나만 접근 가능)
  2. 진행 (Progress) : 임계 구역에 실행되고 있는 프로세스가 없을 경우, 들어갈 프로세스를 적절히 선택해줘야 한다.
  3. 한정된 대기 (Bounded wating) : 프로세스의 기아를 방지하기 위해, 한 번 임계 구역에서 실행된 프로세스는 다음 실행에 대한 제한을 두어야한다. (입금이 됐으면 출금이 될 수 있게끔)

동기화 기법

• 상호배제의 형태
• 임계구역에 접근하는 다른 프로세스를 프로세스 하나가 접근하지 못하게 실행을 제어하는 방법

뮤텍스

• 임계구역에 들어가기 전에 Lock을 획득하고 (acquire()) , 나올 때는 Lock을 반환해야 한다 (release())
• 이진 세마포어 기법( 0과 1만 사용 ), Locking 기법으로 불린다

세마포어

• 카운팅 세마포어 : 공유자원의 개수가 한정되었을 때 이 자원에 접근하는걸 컨트롤 하는데 사용된다. 세마포어는 사용가능한 자원의 개수로 초기화된다.
• wait() : 사용하고있으면 -1, 세마포어가 0보다 작다면 , 이미 제한된 수의 프로세스가 임계구역에 접근하고 있는 상태이므로 세마포어가 0 보다 커질 때까지 임계구역에 접근하는 다른 프로세스들은 대기
• signal() : 임계구역의 작업을 끝내고 lock반납

교착상태

• 상호 배제에 의해 나타는 문제점으로, 둘 이상의 프로세스들이 자원을 점유한 상태에서 서로 다른 프로세스가 점유하고 있는 자원을 요구하며 무한정 기다리는 현상이다
• 교착상태에 빠지는 조건
  1. 상호배제 (Mutual exclusion) : 한 자원에 대하여 여러 프로세스가 사용할 수 없다
  2. 점유하고 대기 (Hold and wait) : 자원을 가지고 있는 프로세스가 다른 프로세스에 의해 사용중인 자원을 점유하기 위해 기다리는 것
  3. 비선점 (No preemption) : 다른 프로세스가 사용중인 자원을 뺏을 수 없다
  4. 순환대기 (Circular wait) : 공유자원과 자원을 사용하기 위해 대기하는 프로세스들이 원형으로 구성된다. 즉 자신에게 할당된 자원을 점유하면서 다른 프로세스가 사용중인 자원을 점유하려 한다
• 교착상태 해결방법
  1. 예방
     • 상호배제 해결 : 여러 프로세스가 공유 자원을 동시에 사용할 수 있게 한다.
     • 점유 및 대기 해결 : 프로세스 시작시 사용해야 할 모든 자원을 할당해 준다.
     • 비선점 해결 : 자원을 점유하고 있는 프로세스가 다른 자원을 요구할 때 점유하고 있는 자원을 반납하고, 요구한 자원을 사용하기 위해 기다리게 한다. 즉 선점형으로 변경한다.
     • 환형 대기 해결 : 자원에 고유한 번호를 할당하고, 번호 순서대로 자원을 요구하도록 한다.
  2. 회피
  3. 탐지 & 회복