프로세스 동기화(1)

• 동시성 : cpu core가 한개일때, 시분할 시스템으로 프로세스를 짧은 시간 동안 번갈아 가면서 실행하는 것
• 병렬성 : cpu core가 여러개일때, 각각의 core가 각각의 프로세스를 실행하는 것
• 동기화를 이해하기 위해 필요한 용어
  • race condition(경쟁 조건)
    • 여러 프로세스 혹은 여러 스레드가 동시에 같은 데이터를 조작할 때 타이밍이나 접근 순서에 따라 결과가 달라질 수 있는 상황
      • 이를 해결하기 위해 mutal exclusion을 이용하자!
  • synchronization(동기화)
    • 여러 프로세스 혹은 여러 스레드를 동시에 실행해도 공유 데이터의 일관성을 유지하는 것
  • critical section(임계 영역)
    • 공유 데이터의 일관성을 보장하기 위해 하나의 프로세스 혹은 하나의 스레드만 진입(=mutal exclusion)해서 실행 가능한 영역
    • mutal exclusion을 하기 위해 lock을 사용한다.
  spin lock
  • critical section에 진입할 때까지 cpu를 놓지 않고 계속해서 lock의 취득을 시도하는 busy waiting방식으로 구현된다.
    • busy waiting
      • 원하는 자원을 얻기 위해 기다리는 것이 아니라 계속해서 확인하는 것
  • 단점
    • lock을 기다리는 동안 busy waiting으로 인해 cpu를 계속해서 낭비한다는 단점이 발생한다.
  Mutex
  • lock을 가질 수 있을 때까지 휴식한다. 즉, lock을 요청한 후 취득할 때까지 cpu를 소모하지 않고 wait queue에 잠들게 된다.
  • unlock과 lock의 주체가 서로 같아야한다.
  • priority inheritance를 가짐.
    • priority inheritance
    • 우선순위 스케줄링이고, P1(우선순위 높음)과 P2(우선순위 낮음)가 있는 상황에서, P2가 lock을 먼저 쥔 상황이라고 가정하자.
    • p1이 lock을 쥐려고하는데 p2에 의해서 실행이 안됨. 우선순위가 높은데도 불구하고 p2에 의해 계속 기다리는 상황이 발생한다.
    • mutex는 이 상황을 어떻게 해결하냐?
      • p2를 p1만큼 우선순위를 높여 lock을 반환할 수 있도록 한다. (=이것이 priority inheritance라고 함.)
  Mutex가 Spin lock보다 항상 좋은걸까?
  • spin lock이 더 좋은 경우
    • multi core환경이고 critical section의 작업이 context-switching(mutex가 lock을 잠들고 있다가 깨는 과정에서 context switching이 발생함)보다 더 빨리 끝난다면, spin lock이 mutex보다 더 좋다.
    • single core가 안되는 이유
      • t1스레드가 critical section에서 작업을 하고있다고 가정하자. 다른 t2스레드가 spin lock을 통해 진입을 하려고 하면 결국 single core에서는 context swtich가 일어날 수 밖에 없다!
    • multi core환경어야하는 이유
      • cpu를 하나 쥔 t1스레드가 critical section에서 작업을 하고있다고 가정하자. 다른 cpu를 쥔 t2스레드가 spin lock을 통해 lock을 취득할 수 있음을 알게 되었다. 이때, context-switching보다 더 빨리 끝난다면 spin lock이 더 좋을 수 밖에 없다.
  • 위를 정리하면, 아래와 같다.
  • 금방 임계 구역에 진입이 불가능한 경우
    • 수행가능한 다른 프로세스가 수행되고 있을 수 있도록 cpu를 낭비하지 않는 semaphore나 mutex가 효율적이다.
  • 금방 임계 구역에 진입이 가능한 경우
    • 프로세스가 잠들어있다가 깨어나는 context-switch이 필요없는 spin lock이 더 효율적이다.
  Semaphore
  • signal mechanism을 가진, 하나 이상의 프로세스/스레드가 critical section에 접근 가능하도록 하는 장치
  • lock의 주체(=wait)와 unlock(=signal)의 주체가 서로 달라도 된다.
    • 즉, lock(=wait)의 동시접근만을 제어할 뿐, unlock(=signal)의 주체가 lock을 취득한 프로세스인지는 확인하지 않는다.
  • 순서를 정해줄 때 사용한다.
  • binary semaphore (이진 세마포어)
    • critical section에 동시 진입을 허용할 프로세스의 수에 따라 1개만 허용
  • counting semaphore (계수 세마포어)
    • critical section에 동시 진입을 허용할 프로세스의 수에 따라 1개보다 더 많이 허용
  binary semahphore와 mutex의 차이?
  • lock과 unlock의 주체가 같냐, 다르냐?
  • priority inheritance를 가지냐, 갖지 않냐?
  mutex와 semaphore를 각각 언제 사용하면 좋은가?
  • mutal exclusion만 필요한 경우에는 mutex를 사용하라!
  • 작업간의 실행 순서 동기화가 필요하다면 semaphore를 사용하라!
  • 참조블로그
    • https://hexoul.github.io/mutex
    • https://www.youtube.com/watch?v=gTkvX2Awj6g