2-4) 운영체제 - 동기화와 교착 상태

(참고: Fastcampus 강의, 강민철의 인공지능 시대 필수 컴퓨터 공학 지식)

4. 동기화와 교착 상태

Contents

1. 프로세스 동기화
2. 생산자와 소비자 문제
3. 동기화 해결의 3가지 원칙
4. 조건 변수와 모니터
5. 교착 상태와 해결 방법

(1) 프로세스 동기화

a) 동기화란?

OS가 제공하는 동기화 (synchronization) 기능?

• 여러 프로세스나 스레드가 동시에 실행될 때 발생할 수 있는 충돌이나 예기치 않은 동작을 방지하기 위한 장치

동기화의 핵심 기능 두 가지

• (1) 실행 순서 제어 (Order of Execution Control)
• (2) 상호 배제 (Mutual Exclusion, 줄여서 Mutex)

개념	설명	예시
실행 순서 제어	작업이 특정 순서대로 실행되도록 제어	쓰고 나서 읽기
상호 배제	동시에 접근하지 못하도록 차단	계좌 업데이트

b) 공유 자원 & 임계 구역

• 공유 자원: 공동의 자원
• 임계 구역: 동시에 접근 시 문제가 발생할 수 있는 공유 자원에 접근하는 코드

// 공유 자원 접근 코드
lock();               // 진입 전: 잠금
shared_counter++;     // 🔴 임계 구역 (공유 자원 접근)
unlock();             // 나올 때: 잠금 해제

(2) 생산자와 소비자 문제

동기화 X시 발생할 수 있는 문제

• Producer: 생산을 하는 프로세스(혹은 스레드)
• Consumer: 소비를 하는 프로세스(혹은 스레드)

a) 예시

• 공유 자원: 버퍼(큐 같은 공간)
• 생산자 (Producer): 데이터를 만들어 버퍼에 넣음
• 소비자 (Consumer): 버퍼에서 데이터를 꺼내 사용함

문제:

• 버퍼가 꽉 찼을 때, 생산자는 기다려야 함
• 버퍼가 비었을 때, 소비자는 기다려야 함
• 동시에 여러 스레드가 접근하면 데이터 손실 or 꼬임 현상이 발생할 수 있음

해결에 필요한 동기화

1. Mutex (상호 배제): 생산자와 소비자가 동시에 버퍼를 수정하지 못하게 함
2. 조건 변수 (Condition Variable):
   • 버퍼가 비었으면 소비자는 대기
   • 버퍼가 가득 찼으면 생산자는 대기

b) 요약

구성 요소	역할
공유 자원	버퍼 (공통으로 접근하는 공간)
임계 구역	버퍼에 넣고 빼는 코드
상호 배제	생산자와 소비자가 동시에 버퍼를 수정 못하게 함
조건 동기화	버퍼가 비거나 가득 찼을 때 대기하도록 제어

(3) 동기화 해결의 3가지 원칙

a) 3가지 원칙

1. 상호 배제
   • 한 프로세스가 임계 구역에 진입했다면, “다른 프로세스는 대기해야 함”
2. 진행
   • 어떤 프로세스도 임계 구역에 진입하지 않았다면, “진입이 가능해야 함”
3. 유한 대기
   • 한 프로세스가 임계 구역 진입을 위해 대기하고 있다면, “언젠간 진입이 가능해야 함”

b) 뮤텍스 (Mutex)

• 하나의 스레드만 접근 가능하도록 잠그는(lock) 방식
• 특징
  • 공유 자원에 대한 배타적 접근을 보장함
  • 한 번에 하나의 스레드만 뮤텍스를 소유할 수 있음

• 예시: 임계 구역(critical section) 보호

• 비유: “열쇠를 하나만 가진 방”

c) 세마포 (Semaphore)

• 동시에 접근 가능한 스레드 수를 제한하는 동기화 기법
• 특징
  • 정수 값(count)을 가지며, 그 값으로 접근 가능한 자원의 개수를 나타냄
  • 뮤텍스는 세마포어의 특별한 경우 (세마포어 값이 1인 경우)
• 비유: “정해진 수만큼 입장 가능한 방”

항목	뮤텍스	세마포어
접근 가능 수	1 (오직 하나)	N개 (설정 가능)
소유 개념	있음 (소유한 스레드만 해제 가능)	없음 (누구나 증가/감소 가능)
목적	배타적 자원 접근	자원 수 제한 동기화

(4) 조건 변수와 모니터

기존 동기화 도구의 문제점:

• 세마포 사용이 편리 X

모니터 = 사용이 간편한 도구!

• 공유 자원에 직접 접근 못 하고, 모니터가 제공하는 함수(인터페이스)를 통해서만 접근함
• 이 함수들은 “자동으로” 잠금(lock)을 걸고, 끝나면 잠금 해제(unlock)
  • 즉, 프로그래머가 직접 lock/unlock을 신경 쓰지 않아도 됨 → 사용이 간편함!

조건 변수

• 모니터에서, 실행 순서를 제어하기 위한 동기화를 위해 사용
• 프로세스 상태 전이가 가능한 특별한 변수
  • (1) wait() : 호출한 프로세스를 “대기 상태”로 전환
  • (2) signal(): 호출한 프로세스를 “깨움”

(5) 교착 상태와 해결 방법

프로세스는 실행을 위해 자원이 필요!

\(\rightarrow\) Q) 그런데 서로의 자원을 무한히 기다리기만 한다면? = “교착 상태”

a) 교착 상태 발생 조건

1. 상호 배제: 동시에 자원 사용이 불가능한 경우
2. 점유와 대기: 자원을 할당 받은 채, 다른 자원의 할당을 기다리는 경우
3. 비선점: 강제로 자원을 뺏을 수 없는 경우
4. 원형 대기: 자원을 원형으로 대기할 경우

\(\rightarrow\) 위의 4가지가 모두 있으면, 교착상태가 발생할 수도 있다!

b) 교착 상태 해결 방법

1. 교착 상태 “예방”
2. 교착 상태 “회피”
3. 교착 상태 “검출 후 회복”

b-1) 교착 상태 “예방”

( = 발생 조건 4가지 중 하나를 없애기 )

\(\rightarrow\) But 여러 부작용이 따름

• (1) 상호 배제 조건 없애기
  • 조건 해제 방법: 자원을 공유하도록 함
  • 한계점: 모든 자원에 대해 적용 불가
• (2) 점유와 대기 조건 없애기
  • 조건 해제 방법: 특정 프로세스에 자원을 All or None 할당
  • 한계점: 자원의 활용률 저하
• (3) 비선점 조건 없애기
  • 선점하여 사용 가능한 자원에 대해서는 효과적 (e.g., CPU)
  • 한계점: 모든 자원에 대해 적용 불가 (e.g., 프린터기)
• (4) 원형 대기 조건 없애기
  • 조건 해제 방법: 자원에 번호 매기기
    • e.g., 오름차순으로 자원 할당

b-2) 교착 상태 “회피”

• 교착 상태의 원인 = “무분별한 자원 할당”으로 간주
• 해결책: 교착 상태가 발생하지 않을 정도로만, 조금씩만 자원을 할당
• 자원을 할당하기 전에, 시스템이 안전한 상태(safe state)로 유지될 수 있는지 미리 검사함
  • 즉, “이 자원을 지금 주면 나중에 교착 상태에 빠질 가능성이 있나?”를 항상 따져보고, 위험하면 할당 안 함
• Ex) 은행원 알고리즘

은행원 알고리즘 (Banker’s Algorithm)

• 교착상태 회피를 위한 대표적인 알고리즘
• 이름의 유래: 은행원이 대출해줄 때, 모든 고객이 언젠가 대출한 금액을 돌려줄 수 있을지 확인하고 대출함
• 핵심 아이디어:
  • (1) 각 프로세스의 최대 자원 요구량을 미리 알아야 함
  • (2) 자원을 할당하기 전에, 이 요청을 처리해도 시스템이 안전한 상태인지 검사함
  • (3) 안전하다면 자원 할당, 아니면 거절

b-3) 교착 상태 “검출 후 회복”

교착 상태가 발생 시, “그때 가서 회복하자”

• 선점을 통한 회복
• 프로세스 강제 종료를 통한 회복