공유자원과 임계구역

1. 공유 자원

여러 프로세스가 공동으로 이용하는 변수, 메모리, 파일
공동으로 이용되기에 누가 언제 데이터를 읽거나 쓰느냐에 따라 결과가 달라질 수 있음

경쟁 조건

2개 이상의 프로세스가 공유 자원을 병행적으로 읽거나 쓰는 상황
공유 자원 접근 순서에 따라 실행 결과가 달라짐

2. 임계 구역

위의 예에서 balance(예금) 부분.
즉 공유 자원 접근 순서에 따라 달라지는 프로그램 영역
어떤 프로세스가 임계구역에 들어가면 다른 프로세스는 임계구역 밖에서 기다려야하며, 그 프로세스가 나와야 들어갈 수 있음

생산자-소비자 문제

sum=3 일 때 동시 접근이 가능하게 되면
- producer의 sum+1, customer의 sum-1이 실행 순서에 따라 랜덤으로 출력되어버림
하드웨어 자원의 경우에도 문제가 일어날 수 있음

해결 조건

상호 배제

한 프로세스가 임계구역에 들어가면 다른 프로세스는 임계구역 접근X

한정 대기

어떤 프로세스도 무한 대기하지 않아야 함

진행의 융통성

한 프로세스가 다른 프로세스의 진행을 방해해서는 안됨

임계구역 해결 코드: 공유 변수로 잠금을 직접 구현

lock=true인 경우 무한 루프 돌면서 대기
lock=false인 경우 lock을 걸고 임계 구역에서 작업하다가 lock을 해제하고 나옴

문제점

lock=false일 때, lock=true로 걸고 임계 구역에 진입해야 하는데 그 직전에 타임아웃이 걸린다면?
- 다른 프로세스도 임계 구역에 진입하게 되고, 해당 타임아웃으로 대기하고 있던 프로세스도 대기가 끝나 실행될 때 또 임계구역에 진입해버린다
- 동시에 임계구역에 진입해버릴 수 있다는 것

임계 구역 해결 코드: 상호 배제 조건을 충족하는 코드

상호 배제 조건은 만족하지만, 여기서는 타임아웃 타이밍에 따라 상호 무한루프에 빠질 수 있는 위험이 있다.

임계 구역 해결 코드: 상호 배제와 한정 대기 조건을 만족

상호 배제와 한정 대기 조건을 만족
그러나 만약 P1이 자주 실행되어야 하는 상황이라면?
- P1은 P2가 실행되어 락을 바꿔줄 때 까지 반드시 대기해야 한다 (반드시 번갈아가며 실행되야하므로)
- 그러므로 진행의 융통성을 충족하지 않음

임계 구역 문제 해결: 하드웨어의 지원

while(.==true); 문과 lock=true 문을 한꺼번에 실행 → testandset(&lock)==true

검사-지정 코드를 이용하면 명령어 실행 중간에 타임아웃이 걸려 임계구역을 보호하지 못하는 문제가 발생하지 않음

이 명령어는 원자성 (쪼개질 수 없음) 을 가져 중간에 인터럽트 될 수 없다.

임계 구역 문제 해결: 피터슨 알고리즘

임계구역 해결의 세 가지 조건 모두 만족
2개의 프로세스만 사용 가능하다는 한계

임계 구역 문제 해결: 데커 알고리즘

임계구역 해결의 세 가지 조건 모두 만족
2개의 프로세스만 사용 가능하다는 한계

임계 구역 문제 해결: 세마포어

프로세스가 작업을 마치면 다음 프로세스에 임계구역을 사용하라는 동기화 신호를 보냄

Semaphore(.) : 전역변수 RS를 n으로 초기화. n은 현재 사용 가능한 자원의 수
P() : 잠금을 수행하는 코드
- RS>0이면 (사용 가능한 자원이 있으면) : RS를 1만큼 감소시키고 임계구역 진입
- RS≤0이면 : 0보다 커질 때 까지 block()
V() : 잠금 해제와 동기화를 같이 수행
- RS 값을 1 증가시킴
- 세마포어에서 기다리는 다른 프로세스에게 wake_up() 신호를 보내 임계구역에 진입해도 좋다는 신호 보냄
뮤텍스랑 같음
간편하게 구현 가능
이거도 현재는 잘 안쓰이긴 함

BINARY 세마포어 사용 예

초기값이 1
상호 배제를 위해 사용 (하나 들어가면 아무도 못들어감)

COUNTING 세마포어 예

초기값이 1 이상
한개 이상의 자원이 있을 때 사용
- 여러개의 프로세스가 임계구역에 접근 가능

세마포어의 잘못된 사용 예 (실수)

실수하여 세마포어를 쓰지 않고 공유자원에 접근하는 경우
- 그냥 바로 접근이 가능해 임계구역 보호 불가능
실수하여 P()를 두번 써버림
- wake_up()신호가 발생되지 않아 세마포어에서 대기하고 있는 프로세스들 무한 대기
V()와 P()를 반대로 사용
- 역시 상호 배제가 적용되지 않은 상태로 되버리므로 임계구역 보호 불가능

임계구역 해결 방법: 모니터

공유자원을 내부적으로 숨기고 공유 자원에 접근하기 위한 인터페이스만 제공

자원을 보호하고 프로세스 간에 동기화를 시킴

작동 원리

임계구역으로 들어가려는 프로세스는 직접 P() 혹은 V()를 사용하지 않음
대신 모니터에게 작업을 요청
모니터는 요청받은 작업을 모니터 큐에 저장하고 순서대로 처리, 결과만 프로세스에 알려줌

모니터

모니터는 데이터와 프로시저 (메소드, 함수)를 포함하는 객체
- 모니터 안에서만 접근 가능
모니터 경계에서는 상호 배제를 엄격히 지켜야 함
- 한번에 한 스레드만 모니터 진입 가능
- 모니터는 상호 배제 보장
모니터가 사용되고 있을 때 들어가려는 스레드는 대기해야 함
모니터 안의 데이터는 모니터 내의 프로시저를 통해서만 접근 가능
상호배제, 동기화 두가지 모두 구현
- 동기화
  - 예를 들어 생산자와 소비자의 예에서 소비자가 아직 미처 소비하지도 않았는데 계속해서 데이터를 공급하는 경우
  - 한정된 큐에서 계속해서 공급하면 오버플로우 발생
  - 그러므로 생산자는 소비자가 버퍼를 비웠을 때 공급하고, 소비자는 생산자가 버퍼를 채웠을 때 소비해야 하며 이를 동기적으로 실행하는 것이 동기화.
- 동기화를 구현하기 위해 조건 변수 구현
  - 조건 변수
```
wait(.)
signal(.)
```
    어떤 조건 변수에 대해서 동작을 수행할 때 까지 대기하고 있다가 해당 동작이 완료되면 기다리고 있는 프로세스에게 시그널을 보내면 깨어나 모니터를 얻음

모니터 코드

제공하는 인터페이스만 간단히 사용하면 끝

모니터 내부 코드

자바 모니터

멀티 스레드를 사용하는 자바 응용 프로그램에서 상호 배제와 동기화를 제공
Synchronized 키워드
- 자바 객체에 상호 배제 기능 부여
Wait() 메소드
- 객체에 대한 잠금을 해제하고 상태 변수를 기다림
스레드는 notify() 혹은 notifyAll() 메소드를 호출해 신호 보냄