공유자원과 교착상태

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🧑‍🤝‍🧑 공유 자원과 임계 영역

🔎 공유 자원 (Shared Resource)

• 시스템 안에서 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 자원이나 변수
• ex) 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 ...
• 경쟁 상태 (Race Condition) : 공유 자원을 두개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황

🔎 임계 영역 (Critical Section)

• 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때, 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역
• 해결하기 위한 방법은 뮤텍스, 세마포어, 모니터가 있음
  • 상호배제, 한정대기, 융통성 조건 만족
  • 메커니즘 : 잠금(Lock)

💡 임계구역 해결 조건
상호 배제(mutual exclusion) : 한 프로세스가 임계 영역에 들어가면 다른 프로세스는 들어갈 수 없음
한정 대기(bounded waiting) : 특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안됨
융통성(progress flexibility) : 한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해해서는 안됨

🔐 뮤텍스 (Mutex)

• 프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체
• 잠금 설정 시, 다른 프로세스나 스레드는 잠긴 코드영역에 접근 불가
• 잠금 / 잠금해제 라는 상태만 가짐

🔐 세마포어 (Semaphore)

• 일반화 된 뮤텍스
• 프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근하면 wait() 수행, 해제하면 signal() 수행
• wait(P) : 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수
• signal(V) : 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수
• 바이너리 세마포어
  • 0, 1 만 가짐
  • 뮤텍스와 구현이 유사

 

💡 뮤텍스 vs 바이너리 세마포어
뮤텍스 : 잠금 기반
바이너리 세마포어 : 신호 기반

• 카운팅 세마포어
  • 여러개의 값을 갖는 세마포어 (최대 허용치 만큼 동시 사용자 접근 허용)
  • 여러 자원에 대한 접근 제어

📺 모니터 (Monitor)

• 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 접근에 대해 인터페이스만 제공
• 모니터큐를 이용해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리
• 세마포어보다 구현하기 쉬움
  • 모니터는 상호 배제 자동
  • 세마포어는 상호 배제 명시

🚫 교착 상태 (DeadLock)

• 두개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태
• A -> B -> A
• 프로세스의 흐름을 보면
  1. 자원 요청(request)
  2. 자원 받음(allocate)
  3. 자원 사용(use)
  4. 자원 해제(release)
     => 모든 프로세스가 1번 상태에 있는 것이 Deadlock

🔎 원인 (발생 조건)

• 상호 배제 (Mutual Exclusion) : 한 프로세스가 자원 독점 -> 다른 프로세스 접근 불가능
• 점유 대기 (Hold and Wait) : 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청
• 비선점 (No Preemption) : 다른 프로세스의 자원을 강제로 가져올 수 없음
• 환형 대기 (Circular Wait) : 서로가 서로의 자원 요구 (위의 이미지와 같은 상태)

🔎 해결 방법

• 예방 (Prevention)
  • 교착상태가 발생할 수 있는 요구조건이 성립되지 않게 설계
  • 자원 낭비가 가장 심함
• 회피 (Avoidance)
  • 교착상태 발생 시 적절히 피해가기
  • 은행원 알고리즘 (Banker's Algorithm)
• 탐지 및 회복 (Detection And Recovery)
  • 교착상태가 발생할 경우 찾아내어 고침
  • 탐지 : 교착상태 발견 알고리즘, 자원할당 그래프
  • 회복 : 교착 상태 프로세스 중지(제거 될때까지 하나씩), 자원 선점(교착 상태에 빠진 프로세스가 필요로 하는 자원을 강제 탈취 => 강종 후 재시작)

📰 Reference

세마포어와 뮤텍스
스레드 동기화 기법
교착상태 개념과 발생 원인
교착상태 해결 방법