[운영체제] 세마포어(semaphore) 뮤텍스(mutex) 모니터(Monitor)

critical section의 동기화 문제를 해결하기 위해서는 세 가지 조건을 만족해야 한다.

1. mutual exclution (상호 배제)
2. bounded wating (한정된 대기)
3. prograss(진행의 융통성)

2023.04.22 - [백엔드/운영체제] - 경쟁 조건(Race Condition)과 임계 구역(Critical Section)

경쟁 조건(Race Condition)과 임계 구역(Critical Section)

critical section 문제를 해결하기 위한 방법에는 세마포어(semaphore) 뮤텍스(mutex) 모니터(Monitor) 등이 있다.

세마포어(Semaphore)

하드웨어적 해결방법, 피터슨, 데커 알고리즘 3개는 busy wating을 사용하기 때문에 자원 낭비도 심하고 알고리즘도 복잡하다.

세마포어는 critical section에 진입하기 전에 스위치를 사용 중으로 놓고 임계구역으로 들어간다.

이후에 도착하는 프로세스는 앞의 프로세스가 작업을 마칠 때까지 기다린다. 프로세스가 작업을 마치면 세마포어는 다음 프로세스에 임계구역을 사용하라는 동기화 신호를 보낸다.

세마포어는 다른 알고리즘과 달리 임계구역이 잠겼는지 직접 점검하거나 busy waiting을 하거나, 다른 프로세스에 동기화 메시지를 보낼 필요가 없다.

 

세마포어는 3가지 방식으로 이루어져 있다.

1. Semaphore(n)로 초기 설정을 한다. 이 때 n은 공유 가능한 자원의 수를 나타낸다.
2. P()으로 임계구역에 들어가기 전에 사용 중이라는 표시를 한다.
3. V()으로 임계구역에 나올 때 비었다고 표시한다.

Semaphore(n);
P()
//임계구역
V()

세마포어가 어떻게 작동하는지 세마포어 내부 코드를 통해 알아보자.

대기할 때는 block() 코드를 사용한다.

1. Semaphore(n) : 전역 변수 RS를 n으로 초기화한다. RS에는 현재 사용 가능한 자원의 수가 저장된다.
2. P() : 잠금을 수행하는 코드로 RS가 0보다 크면(사용 가능한 자원이 있다면) 1만큼 감소시키고 임계구역에 진입한다. 만약 RS가 0보다 작으면(사용할 수 있는 자원이 없으면) 0보다 커질 때까지 기다린다.
3. V() : 잠금 해제와 동기화를 같이 수행하는 코드로, RS 값을 1 증가시키고 세마포어에서 기다리는 프로세스에 임계구역에 진입해도 좋다는 wake_up 신호를 보낸다.

세마포어에서 잠금이 해제되기를 기다리는 프로세스는 세마포어 큐에 저장되어 있다가 wake_up 신호를 받으면 큐에서 나와 임계구역에 진입한다. 따라서 busy waiting 하는 프로세스가 없게 된다.

 

그러나 세마포어의 P(), V() 내부코드가 실행되는 도중에 context switching이 발생하면 mutual exclution과 bounded waiting 조건을 보장하지 못한다. 따라서 P(), V()의 내부 코드는 검사와 지정을 사용하여 분리 실행되지 않고 완전히 실행되게 해야 한다. 즉, atomicity가 보장되어야 한다.

뮤텍스(Mutex)

뮤텍스는 사실 세마포어의 공유자원(RS)가 1일 때를 말한다. 즉, 세마포어는 뮤텍스의 특별한 버전으로 RS가 1 이상일 때를 말한다. 따라서, 뮤텍스와 세마포어는 구동 방법, 원리가 모두 같다.

wait(mutex);
// critical section
signal(mutex);

세마포어가 P(), V() 연산으로 이루어져 있다면, 뮤텍스는 wait(mutex), signal(mutex)로 이루어져 있다.

이름만 다를 뿐이지 내부 연산은 같으므로 사실 이름은 크게 중요하지 않다.

즉, wait을 하면 공유자원 mutex(이전에는 RS)를 하나 감소시키고, signal 하면 mutex를 하나 증가시키고 block 상태에 빠져있는 프로세스를 뮤텍스 큐에서 깨워 ready queue로 보내는 역할을 한다.

따라서 뮤텍스 역시도 세마포어와 같이 3가지 임계구역 조건인 mutual exclusion, bounded waiting, progress를 지키며, busy waiting을 하지 않은 효율적인 알고리즘이다.

모니터

세마포어의 가장 큰 문제는 잘못된 사용으로 인해 임계구역이 보호받지 못한다는 것이다.

다음은 세마포어의 잘못된 사용으로 문제가 발생한 경우이다.

1. 세마포어를 사용하지 않고 임계구역에 들어갈 때, 임계구역이 보호받지 못한다. 즉 mutual exclusion이 보장되지 않아 race condition이 발생한다.
2. P()만 두 번 사용하고 V()를 사용하지 않아서 wake_up 신호가 발생하지 않은 경우 무한대기상태가 발생한다.
3. P()와 V()를 반대로 사용하여 mutual exclusion이 보장되지 않는다.

만약, 공유자원을 사용할 때 모든 프로세스가 세마포어 알고리즘을 따른다면 굳이 P(), V()를 사용할 필요 없이 자동으로 처리하도록 하면 된다. 이를 실제로 구현한 것이 모니터이다.

모니터는 공유 자원을 내부적으로 숨기고 공유 자원에 접근하기 위한 인터페이스만 제공함으로써 자원을 보호하고 프로세스 간에 동기화를 시킨다.

모니터는 system call과 같은 개념으로 생각하면 된다. 운영체제의 자원을 일반 사용자가 접근하는 것을 허용하지 않기 위해서 시스템 자원을 숨기고 인터페이스만 제공하는 system call처럼, 모니터도 보호할 자원을 임계 구역으로 숨기고 임계구역에서 작업할 수 있는 인터페이스만 제공하여 자원을 보호한다.

 

모니터의 특징은 다음과 같다.

1. 임계구역으로 지정된 변수나 자원에 접근하고자 하는 프로세스는 직접 P(), V()를 사용하지 않고 모니터에 작업을 요청한다.
2. 모니터는 요청받은 작업을 모니터 큐에 저장한 후 순서대로 처리하고 그 결과만 해당 프로세스에 알려준다.

monitor shared_balance{
    private:
     int balance = 10;
     boolean busy = false;
     condition mon;
    public:
     increase(int amount){
        if(busy == true) mon.wait();
        busy = true;
        balance = balance + amount;
        mon.signal();
     }
}

프로세스 P1, P2가 increase() 함수를 호출한다고 하자, 이 때 모니터를 이용한 코드가 다음과 같다.

모니터는 임계구역 보호와 동기화를 위해 내부적으로 조건 변수(condition variable)를 사용한다.

condition variable은 특정 조건이 완료될 때까지 block상태로 만든다는 의미이다. 다음의 기능이 있는데 위의 변수 mon이 condition variable이다.

• wait() : 모니터 큐에서 자신의 차례까 올 때까지 기다린다. 세마포어 P()의 block과 같다.
• signal() : 모니터 큐에서 기다리는 다음 프로세스에 순서를 넘겨준다, 세마포어의 V()에 해당한다.

우리가 설정한 공유자원 balance는 increase 함수를 통해서만 접근이 가능하다.

increase는 임계구역이 잠겼는지 busy를 check 하게 된다. busy는 하나의 lock과 같은 기능을 하고, lock이 걸려있다면 mon.wait()을 호출하여 block상태에 빠지게 되고 모니터 큐에서 기다리게 된다. lock이 안 걸려있다면 임계구역에 들어가게 된다.

 

만약 프로세스 P1이 increase를 사용하고 balance = balance + amount을 호출하기 전에 타임 슬롯이 마감되어 ready queue에 돌아간다고 하자. 이 때 프로세스 P2가 increase를 사용한다면 P2는 busy가 true이기 때문에 모니터 큐에 배치되고 block 상태로 간다. P1이 임계구역의 작업을 완료하고 mon.signal을 호출하면 busy = false 바꿔주고, wake_up()을 통해 프로세스 P2를 깨워 ready queue로 보낸다.

 

이렇게 모니터는 불필요한 정보를 숨기고 공유 자원에 대한 인터페이스만 제공하는 점에서 오늘날 객체 지향의 information hiding과 매우 닮았다.

 

뮤텍스와 세마포어 차이

• 세마포어는 자원의 상태를 나타내는 일종의 '변수'로써 소유 개념이 아니지만, 뮤텍스는 자원을 점유한 프로세스나 쓰레드가 잠시 소유하였다가 작업이 끝나면 반환하는 개념이다.
• 세마포어의 바이너리 값을 갖는 것이 뮤텍스이다.
• 세마포어는 뮤텍스가 될 수 있지만, 뮤텍스는 세마포어가 될 수 없다.
• 세마포어는 시스템 범위에 걸쳐있고 파일 시스템 상의 파일 형태로 존재한다. 반면, 뮤텍스는 프로세스 범위를 가지고, 프로그램이 종료될 때 자동으로 지워진다.
• 세마포어는 동기화 대상이 여러개일 때, 뮤텍스는 동기화 대상이 오로지 하나일 때 사용된다.

모니터

• 하나의 프로세스 내의 다른 스레드 간 동기화에 사용된다.
• 모니터는 프레임워크나 라이브러리 그 자체에서 제공된다.
• C언어에는 없고 JAVA에는 있다.
• 일련의 동기화 작업들이 캡슐화 되어있어서 synchronized, wait(), notify()등의 키워드를 통해 편하게 동기화할 수 있다.
• 즉, 세마포어와 달리 wait, signal 설정 없이 함수 앞에 synchronized를 붙여주기만 하면 상호배제하여 함수의 작업을 수행한다.

뮤텍스와 모니터 차이

뮤텍스는 다른 프로세스간에 동기화할 때 사용할 수 있고, 모니터는 하나의 프로세스 내에서 다른 스레드 간의 동기화에 사용된다.

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참고 자료

https://velog.io/@chappi/OS%EB%8A%94-%ED%95%A0%EA%BB%80%EB%8D%B0-%ED%95%B5%EC%8B%AC%EB%A7%8C-%ED%95%A9%EB%8B%88%EB%8B%A4.-8%ED%8E%B8-Critical-section-%EC%9E%84%EA%B3%84-%EA%B5%AC%EC%97%AD2-mutex-semaphore-monitor-condition-variable#5-%EB%AA%A8%EB%8B%88%ED%84%B0

OS는 할껀데 핵심만 합니다. 9편 Critical section (임계 구역2) , mutex, semaphore, monitor, condition variable

https://dar0m.tistory.com/234

[OS] 상호배제 방법 : 뮤텍스, 세마포어, 모니터