[운영체제][프로세스관리] 프로세스 동기화 #1 프로세스 동기화의 배경(필요성)

프로세스 동기화의 배경(필요성)

상호 협력적 프로세스들(Cooperating processes)의 특징

• 상호협력적인 프로세스들은 서로 영향을 주거나 받을 수 있습니다.
• 상호협력적인 프로세스들은 논리적인 주소 공간(대표적인 것이 쓰레드)을 공유하거나 공유 데이터를 공유합니다. 공유 데이터 방식은 다음과 같은 방식이 있습니다.
  
  1. 공유 메모리(shared memory) 방식 : 메모리 특정 영역에 여러 프로세스들이 자원을 공유할 수 있는 공간을 생성하고 자원을 공유하는 방식
  2. 메시지 전송 방식(message passing) 방식 : 여러 프로세스들끼리 네트워크를 통해서 링크를 연결하고 메시지를 주고 받는 방식입니다.

 

상호 협력적 프로세들의 문제

• 상호협력적인 프로세들이 공유 데이터에 동시적으로 접근하는 것은 데이터 불일치(data inconsistency)가 발생할 수 있습니다.
• 데이터 불일치를 해결하기 위한 방법
  • 데이터 불일치를 해결하기 위해서는 논리적인 주소 공간을 공유하는 상호 협력적 프로세스들의 순서가 있는 실행(orderly execution, 동기화)이 보장되어야 합니다.

 

데이터 불일치가 발생하는 배경

데이터의 불일치가 발생하는 경우는 다음과 같이 여러개의 프로세스들(또는 쓰레드들)이 실행하는 경우에 발생합니다.

1. 동시 실행(concurrent execution, 동시성)
   • 어떤 한 프로세스가 실행하는 중에 인터럽트가 발생하고 CPU 코어의 제어권을 또 다른 프로세스에게 선점될 수 있습니다. 
   • 선점한 다른 프로세스는 기존 프로세스가 접근하고 있는 공유 자원에 접근하여 값을 바꾸는 상황이 발생하여 데이터의 불일치가 발생할 수 있습니다.
2. 병렬 실행(parallel execution, 병렬성)
   • 병렬 실행이란 2개 이상의 CPU 코어를 통해서 하나의 프로세스을 처리하는 것입니다. 
   • 병렬 실행의 대표적인 특징은 각각의 CPU 코어들이 하나의 프로세스를 실행한다는 점입니다.
   • 하지만 병렬 실행중 하나의 공유 자원을 CPU 코어를 할당받은 쓰레드들이 접근한다면 데이터 불일치가 발생할 수 있습니다.

동시성과 병렬성의 차이는 무엇인가?

동시성

동시성은 적어도 두 개의 스레드가 진행중일때 존재하는 조건이며, 가상 병렬 처리의 한 형태로 시간 분할(time-slicing)을 포함합니다. 즉, 가상 병렬 처리라는 의미는 CPU 코어가 한번에 하나의 명령어만을 처리한다는 의미입니다. 두개 이상의 알고리즘이 하나의 CPU 코어에서 스레드간에 빠르게 교차(문맥교환, Context Switching)되면서 실행되기 때문에 '동시'라고 느끼는 것입니다. 

 

정리하면 동시성은 하나의 CPU 코어 내에서 여러 프로세스(또는 쓰레드)들을 빠르게 교차하면서 한번에 하나의 명령어만을 수행하는 방식입니다. 동시성이라는 의미는 이러한 수행속도가 너무나 빨라서 마치 동시에 수행되는 것처럼 느끼는 것입니다.

 

동시성의 수행방식을 그림으로 표현하면 다음과 같습니다.

 

병렬성

병렬성의 수행 조건은 적어도 2개 이상의 CPU 코어가 있어야 합니다. 병렬성의 수행 방식은 각각의 CPU 코어가 하나의 프로세스(또는 쓰레드)를 맡아서 실행한다는 점입니다. 동시성과는 비슷하지만 핵심적인 차이점은 동시성의 수행방식은 하나의 단일 CPU 코어 내에서 쓰레드들을 교차(문맥교환, Context Switching)하면서 수행한다면 병렬성의 수행방식은 교차하지 않고 각각의 쓰레드를 수행합니다. 그러므로 두개의 알고리즘이 정확히 같은 시점에 수행될때 병렬적이라고 할 수 있습니다. 

 

병렬성의 수행방식을 그림으로 표현하면 다음과 같습니다.

 

데이터 불일치가 발생하는 사례 : 생산자-소비자 문제

• 생산자는 유한한 길이를 가진 버퍼에 데이터를 생산하여 저장합니다. 소비자는 버퍼에 데이터를 소비합니다.
• 공유자원은 데이털르 담는 버퍼 배열과 버퍼에 담긴 데이터의 개수를 표현하는 count 변수입니다.
• 생산자와 소비자 프로세스가 동시에 비동기적으로 공유 자원(buffer)에 접근할 때 데이터 불일치가 발생할 수 있습니다.

다음은 생산자 프로세스와 소비자 프로세의 코드입니다.

// 생산자
while (true){
    // next_produced 위치에 아이템을 생산합니다.
    
    // 버퍼에 아이템이 가득찼다면 생산자는 대기합니다.
    while(count == BUFFER_SIZE)
    	;
    
    buffer[in] = next_produced;
    in = (in + 1 ) % BUFFER_SIZE;
    count++;
}

// 소비자
while(true){
    // 버퍼에 아이템이 없다면 소비자는 대기합니다.
    while(count == 0)
        ;
     
    next_consumed = buffer[out];   // 아이템을 가져옴
    out = (out + 1) % BUFFER_SIZE; // 다음 소비할 위치를 가리킴
    count--;                       // 아이템의 개수를 감소시킴
}

 

위 코드를 기반으로 생산자와 소비자 프로세스가 동시에 실행된다면 공유 자원을 업데이트하는 동안 생산자 또는 소비자가 선점하여 공유 자원의 값을 먼저 업데이트하여 데이터의 불일치가 발생할 수 있습니다.

 

다음은 생산자 - 소비자 문제에서 데이터 불일치가 발생하는 과정입니다.

위 수행과정과 같이 생산자 또는 소비자가 버퍼와 count 변수에 접근하여 조작하는 과정에서 다른 프로세스(생산자, 소비자)가 현재 실행중인 프로세스를 선점하고 버퍼 또는 count 변수에 값을 업데이트한다면 데이터 불일치가 발생할 것입니다.

 

왜 생산자-소비자 문제에서 count 변수는 데이터 불일치가 발생하는가?

위 문제를 분석하기 위해서 count 값이 어떻게 잘못될 수 있는지 다음과 같이 보일 수 있습니다. "count++"는 다음과 같이 기계어로 구현될 수 있습니다.

register1 = count
register1 = register1 + 1
count = register1

 

위에서 register1은 한 CPU만 접근할 수 있는 지역 레지스터입니다. 마찬가지로 "count--"는 다음과 같이 구현될 수 있습니다.

register2 = count
register2 = register2 + 1
count = register2

위 레지스터의 내용은 인터럽트 처리기에 의하여 메모리에 잠시 보관되었다가 다시 적재됩니다.

 

"count++"와 "count--" 문장을 병행하게 실행하는 것은 앞에서 제시한 저수준의 문장들을 임의의 순서로 뒤섞어 순차적으로 실행하는 것과 동등합니다.(그러나 각 고수준 문장 내에서의 순서는 유지됨). 그 중 하나는 다음과 같은 순서를 가질 수 있습니다.

T0 : 생산자가 register1 = count를 수행         {register1 = 5}
T1 : 생산자가 register1 = register1 + 1을 수행 {register1 = 6} => 소비자 프로세스로 context switch 발생
T2 : 소비자가 register2 = count를 수행         {register2 = 5}
T3 : 소비자가 register2 = register2 - 1을 수행 {register2 = 4}
T4 : 생산자가 count = register1을 수행         {count = 6}
T5 : 소비자가 count = register2을 수행         {count = 4}

위와 같이 count 변수에 register1,2가 저장되기 전에 프로세스의 문맥교환(Context Switch)이 발생하게 되면 counte 변수는 부정확한 값이 저장됩니다.

 

위와 같이 생산자-소비자 문제를 통하여 생산자 프로세스와 소비자 프로세스가 수행중에 공유자원을 얻기 위해 다른 프로세스를 선점하는 상태를 경쟁 상태(Race Condition)이라고 합니다.

 

경쟁 상태(Race Condition)가 발생하는 조건

• 여러개의 프로세스(또는 쓰레드)가 존재하는 경우
• 같은 공유자원에 동시에 접근하고 갱신하는 경우

위와 같은 조건에서 여러개의 프로세스가 접근한 결과는 공유자원에 접근하는 프로세스들의 순서에 달려있습니다. 

 

경쟁 상태를 막기 위한 방법

• 오직 한순간에 하나의 프로세스만이 공유 자원에 접근해야 합니다. (예를 들어 count 변수가 있습니다.)

 

 

 

References

source code : https://github.com/yonghwankim-dev/OperatingSystem_Study/tree/main/c/chap06_process-synchronization/chap06_00_examples
Operating System Concepts, 7th Ed. feat. by Silberschatz et al.
[인프런] 운영체제 공룡책 강의
동시성과 병렬성의 차이
병렬 처리에 대해서