1. 동기화란

• 동기화 : 프로세스들 사이의 수행 시기를 맞추는 것

  • 실행되는 프로세스들은 실행 순서와 자원의 일관성을 보장하기 위해 동기화 필요

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    프로세스뿐만 아니라 실행의 흐름을 갖는 모든 것은 동기화의 대상

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  1. 실행 순서 제어 : 프로세스를 올바른 순서대로 실행 ex. 읽는 함수가 쓰는 함수보다 먼저 호출되면 X
  2. 상호 배제 : 동시 접근하면 안되는 자원에 하나의 프로세스만 접근하게 제어
     • ex. 생산자와 소비자 문제 : ‘총합’ 데이터를 생산자는 1씩 추가, 소비자는 1씩 감소
     • 상호 배제를 위한 동기화의 조건
       1. 상호 배제(mutual exclusion) : 한 프로세스가 임계 구역에 있으면 다른 프로세스는 진입 불가
       2. 진행(progress) : 임계 구역에 어떤 프로세스도 없다면 진입 가능
       3. 유한 대기(bounded waiting) : 임계 구역에 진입하고 싶은 프로세스는 언젠가 진입 가능

• 공유 자원 : 공동으로 이용하는 변수, 파일, 장치 등의 자원

• 임계 구역 : 동시에 실행하면 문제가 발생하는 코드 영역

  • 레이스 컨디션 : 여러 프로세스가 동시 다발적으로 임계 구역의 코드를 실행하여 문제가 발생하는 경우

    → 즉, 데이터의 일관성이 깨지는 문제가 발생하는 것

    • 이유? (예) 저급 언어 여러 줄을 실행하는 과정에서 문맥 교환이 일어날 수 있기 때문

2. 동기화 기법

• 동기화 대표 도구들 : 뮤텍스 락, 세마포, 모니터

2-1. 뮤텍스 락(Mutex Lock)

• 정의 : 임계 구역을 잠궈서 프로세스 간의 상호 배제를 이루는 동기화 도구

• (상호배제를 위한) 간단 구현

  lock: bool = False
  
  def acquire():
      global lock
      while lock:
          pass
      lock = True
    
  def release():
      global lock
      lock = False
  

  1. lock : 프로세스들이 공유하는 전역 변수 → 자물쇠 역할
  2. acquire() 함수 : 프로세스가 임계 구역에 진입하기 전에 호출 → 임계 구역 확인 및 잠그는 역할
     • 바쁜 대기(busy waiting) : 임계 구역이 비었는지 확인면서 CPU를 소비하는 방식
  3. release() 함수 : 임계 구역에서의 작업이 끝나고 호출 → 임계 구역을 여는 역할

  acquire()  # 1) 자물쇠 확인 및 잠금
  # 2) 임계구역 진입하여 프로세스 진행
  release()  # 3) 자물쇠 반환
  

2-2. 세마포(Semaphore)

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이진 세마포와 카운팅 세마포가 있지만 여기서는 ‘세마포 = 카운팅 세마포’로 다룸

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• 정의 : 공유 자원이 여러 개 있는 임계 구역 문제도 해결할 수 있는 일반화된 동기화 도구

• (상호배제를 위한) 간단 구현

  s: int = 3
  
  def wait():
      global s
      while s <= 0:
          pass
      s -= 1
      return True
  
  def signal():
      global s
      s += 1
  

  1. S : 임계 구역에 진입할 수 있는 프로세스의 개수(=사용 가능한 공유 자원의 수)
  2. wait() 함수 : 프로세스가 임계 구역에 진입하기 전에 호출 → 임계 구역 확인 및 자원 감소 역할
  3. signa() 함수 : 임계 구역에서의 작업이 끝나고 호출 → 자원 반환 역할

  wait()  # 1) S 확인 및 S 감소
  # 2) 임계구역 진입하여 프로세스 진행
  release()  # 3) S 반환
  

  • 위처럼 실행하면 여전히 바쁜 대기의 문제가 발생하여, 프로세스 상태와 큐를 활용하여 개선

  
  s: int = 3
  wait_queue = []
  
  def wait(process):
      global s, wait_queue
      
      s -= 1
      if s < 0:  # (s=0)은 내가 방금 전 사용한 것
          wait_queue.append(process)
          # process state = sleep (실제로는 프로세스 블로킹 필요)
  
  def signal():
      global s, wait_queue
      
      s += 1
      if s <= 0:
          if len(wait_queue) >= 1:
              wait_queue.pop(0)
              # process state = ready