[Operating System] 11. 세마포어와 뮤텍스

0. 세마포어와 뮤텍스

공유된 자원에 여러 프로세스가 동시에 접근하면서 문제가 발생할 수 있다. 이때 공유된 자원의 데이터는 한 번에 하나의 프로세스만 접근할 수 있도록 제한을 둬야한다. 이를 위해 나온 것이 바로 세마포어이다.

 

세마포어 : 멀티프로그래밍 환경에서 공유 자원에 대한 접근을 제한하는 방법

임계 구역 : 여러 프로세스가 데이터를 공유하며 수행될 때 각 프로세스에서 공유 데이터를 접근하는 프로그램 코드 부분

 

공유 데이터를 여러 프로세스가 동시에 접근할 때 잘못된 결과를 만들 수 있기 때문에 한 프로세스가 임계 구역을 수행할 때는 다른 프로세스가 접근하지 못하도록 해야 한다.

 

1. 세마포어 P,V 연산

P : 임계 구역 들어가기 전에 수행. 프로세스 진입 여부를 자원의 개수(S)를 통해 결정

V : 임계 구역에서 나올 때 수행. 자원 반납 알림, 대기중인 프로세스를 깨우는 신호

procedure P(S)   --> 최초 S값은 1임
    while S=0 do wait  --> S가 0면 1이 될때까지 기다려야 함
    S := S-1   --> S를 0로 만들어 다른 프로세스가 들어 오지 못하도록 함
end P

--- 임계 구역 ---

procedure V(S) --> 현재상태는 S가 0임
    S := S+1   --> S를 1로 원위치시켜 해제하는 과정
end V

이를 통해 한 프로세스가 P 혹은 V를 수행하고 있는 동안 프로세스가 인터럽트 당하지 않게 된다. P와 V를 사용하여 임계 구역에 대한 상호배제 구현이 가능하게 되었다.

 

2. 뮤텍스

뮤텍스는 임계 구역을 가진 스레드들의 실행시간이 서로 겹치지 않고 각각 단독으로 실행되게 하는 기술이다. 해당 접근을 조율하기 위해 lock과 unlock을 사용한다.

• lock : 현재 임계 구역에 들어갈 권한을 얻어옴 (만약 다른 프로세스/스레드가 임계 구역 수행 중이면 종료할 때까지 대기)
• unlock : 현재 임계 구역을 모두 사용했음을 알림 (대기 중인 다른 프로세스/스레드가 임계 구역에 진입할 수 있음)

뮤텍스는 상태가 0,1로 이진 세마포어로 부르기도 한다.

 

3. 뮤텍스 알고리즘

데커 알고리즘

flag와 turn 변수를 통해 임계 구역에 들어갈 프로세스/스레드를 결정하는 방식

• flag : 프로세스 중 누가 임계영역에 진입할 것인지 나타내는 변수
• turn : 누가 임계구역에 들어갈 차례인지 나타내는 변수

while(true) {
    flag[i] = true; // 프로세스 i가 임계 구역 진입 시도
    while(flag[j]) { // 프로세스 j가 현재 임계 구역에 있는지 확인
        if(turn == j) { // j가 임계 구역 사용 중이면
            flag[i] = false; // 프로세스 i 진입 취소
            while(turn == j); // turn이 j에서 변경될 때까지 대기
            flag[i] = true; // j turn이 끝나면 다시 진입 시도
        }
    }
}

// ------- 임계 구역 ---------

turn = j; // 임계 구역 사용 끝나면 turn을 넘김
flag[i] = false; // flag 값을 false로 바꿔 임계 구역 사용 완료를 알림

 

피터슨 알고리즘

데커와 유사하지만 상대방 프로세스/스레드에게 진입 기회를 양보하는 것에 차이가 있음

while(true) {
    flag[i] = true; // 프로세스 i가 임계 구역 진입 시도
    turn = j; // 다른 프로세스에게 진입 기회 양보
    while(flag[j] && turn == j) { // 다른 프로세스가 진입 시도하면 대기
    }
}

// ------- 임계 구역 ---------

flag[i] = false; // flag 값을 false로 바꿔 임계 구역 사용 완료를 알림

 

제과점 알고리즘

여러 프로세스/스레드에 대한 처리가 가능한 알고리즘. 가장 작은 수의 번호표를 가지고 있는 프로세스가 임계 구역에 진입한다.

while(true) {
    
    isReady[i] = true; // 번호표 받을 준비
    number[i] = max(number[0~n-1]) + 1; // 현재 실행 중인 프로세스 중에 가장 큰 번호 배정 
    isReady[i] = false; // 번호표 수령 완료
    
    for(j = 0; j < n; j++) { // 모든 프로세스 번호표 비교
        while(isReady[j]); // 비교 프로세스가 번호표 받을 때까지 대기
        while(number[j] && number[j] < number[i] && j < i);
        
        // 프로세스 j가 번호표 가지고 있어야 함
        // 프로세스 j의 번호표 < 프로세스 i의 번호표
    }
}

// ------- 임계 구역 ---------

number[i] = 0; // 임계 구역 사용 종료