오늘의 CS(프로세스와 스레드 - 5편)

들어가며

지난 시간에는, 스레드와 멀티스레딩에 대해서 살펴 보았다.

오늘은 프로세스와 스레드 마지막편이다. 공유 자원과 임계 영역과 교착 상태에 대해서 알아보려고 한다. 

공유 자원과 임계 영역이 서로 어떤 연관성이 있는지를 이번 포스팅을 통해서 알아보려고 한다. 

 

공유 자원

 

공유 자원은 시스템 안에서 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등 자원이나 변수 등을 의미한다.

이 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태라고 한다. 동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이 결괏값에 영향을 줄 수 있다. 

 

공유 자원 예시

 

공유 자원은 효율적으로 리소스 사용을 가능하게 하지만, 동기화 문제를 해결하지 않으면 안정성이나 성능 문제로 이어질 수 있다. 

따라서 프로세스가 공유 자원에 동시에 액세스할 때 발생하는 문제점을 해결하기 위해서는 임계 영역이라는 개념에 대해 알아야 한다.

 

임계 영역

임계 영역은 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말한다. 이러한 임계 영역을 해결하기 위한 방법은 크게 뮤택스, 세마포어, 모니터 세 가지가 있으며, 이 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이란 조건을 만족한다.

이 방법들의 토대가 되는 메커니즘은 잠금이다. 

예를 들어, 임계 영역을 도서 대여라고 생각하면, A라는 사람이 도서를 대여한다. 그리고 다음 사람이 이를 기다리다가 A가 대여 기간이 끝나서 반납을 하면 도서를 대여하는 방법이다.

쉽게 말해, 한 번에 하나의 스레드만이 자원을 사용할 수 있도록 제한하는 방법이다.

 

 

뮤텍스

뮤텍스는 프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체이다. 

잠금이 설정되면 다른 프로세스나 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없고 해제는 그와 반대이다. 

또한 뮤텍스는 잠금 또는 잠금 해제라는 상태만을 가지게 된다. 

 

뮤텍스

세마포어

세마포어는 일반화된 뮤텍스이다. 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait(P 함수라고도 한다.) 및 signal(V 함수라고도 한다.)로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다.

 

wait()은 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수이며, signal()은 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수이다. 

 

프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근하면 세마포어에서 wait() 작업을 수행하고 프로세스나 스레드가 공유 자원을 해제하면 세마포어에서 signal() 작업을 수행한다. 세마포어에는 조건 변수가 없고 프로세스나 스레드가 세마포어 값을 수정할 때 다른 프로세스나 스레드는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없다. 

 

세마포어는 크게 두 종류가 있다.

 

1. 바이너리 세마포어: 0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어이다. 잠금을 기반으로 상호 배제가 일어나는 뮤텍스와 다르게, 신호를 기반으로 상호 배제가 일어난다. 신호 메커니즘이라고 부르는데, 신호 메커니즘은 "휴대폰에서 노래 듣다가 전화가 오면 노래가 중지되고 통화 처리 작업에 관한 인터페이스가 등장하는 것"을 떠올리면 된다.  

 

2. 카운팅 세마포어: 여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어이며, 여러 자원에 대한 접근을 제어하는 데 사용한다. 예를 들어, 데이터베이스에 대한 동시 접속을 10개로 제한하고 싶다면 세마포어를 10으로 초기화한다. 0에 도달하면 추가 접속을 기다려야 하는 방식이다.

 

모니터

모니터는 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대한 인터페이스만 제공한다.

모니터

 

모니터는 모니터큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리한다. 

모니터는 세마포어보다 구현은 쉬우며 상호 배제는 자동인 반면인, 세마포어는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 하는 차이점이 있다.

 

교착 상태

마지막으로 교착 상태는 공유 자원과 임계 영역과 밀접한 관련이 있다.

교착 상태는 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태를 말한다.

예를 들어 프로세스 A가 프로세스 B의 어떤 자원을 요청할 때 프로세스 B도 프로세스 A가 점유하고 있는 자원을 요청하는 것이다. 

이에 대한 원인과 해결 방법은 다음과 같다.

 

교착 상태의 원인

1️⃣ 상호 배제: 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가능하다.

2️⃣ 점유 대기: 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태이다.

3️⃣ 비선점: 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없다.

4️⃣ 환형 대기: 프로세스 A가 프로세스 B의 어떤 자원을 요청할 때 프로세스 B도 프로세스 A가 점유하고 있는 자원을 요청하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황을 말한다.

 

교착 상태의 해결 방법

1️⃣ 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계한다.

2️⃣ 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 "은행원 알고리즘"을 사용한다.

3️⃣ 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 하나씩 지운다.

4️⃣ 교착 상태는 매우 드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 커서 교착 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료한다. 예를 들어, 프로세스 실행시키다 "응답 없음"이라고 뜰 때가 있다. 교착 상태가 발생한 경우에 이와 같은 경우가 발생하기도 한다.

 

 

 

마무리하며

오늘 공유 자원, 임계 영역, 교착 상태에 대해서 알아봤다. 요새 CS를 공부하면서 느끼는 것은 이러한 프로세스를 설계한 사람의 세심한 고민을 엿볼 수 있다. 엔지니어들이 문제가 발생했을 때 어떻게 문제를 해결할 것인지에 대한 끊임없는 고민을 했던 부분들이 오늘날 우리가 편하게 컴퓨터를 사용할 수 있는 큰 이유가 된 거 같다.

 

📚용어 정리

1️⃣ 상호 배제: 한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없다. 

2️⃣ 한정 대기: 특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안 된다.

3️⃣ 융통성: 한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해하면 안 된다. 

4️⃣ 은행원 알고리즘: 총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태로 나누고 안정 상태로 가도록 자원을 하도록 하는 알고리즘