데이터 통신과 동기화 문제

Multi process에서의 데이터 통신

원칙적으로 Process는 독립적인 주소 공간을 갖기 때문에, 다른 주소 공간을 참조할 수 없다.
하지만 데이터 주고받기 위해, 운영체제는 Process 간의 자원 접근을 위한 메커니즘인
프로세스간 통신(Inter Process Communication) 제공한다.

 IPC (Inter Process Communication)

Process간의 통신을 도와주는 운영체제의 메커니즘

왼 - 공유 메모리 / 오 - 메세지 전달

공유 메모리 (Shared Memory)

Process들의 주소 공간의 일부를 공유

1. Process가 공유 메모리 할당을 Kernel에 요청
2. Kernel은 해당 process에 메모리 공간을 할당
3. 이후, Kernel의 도움없이 Process들이 해당 메모리 영역에 접근

✅ 장점

• 커널의 관여 없이 데이터를 통신할 수 있기 때문에 IPC 속도가 빠르다.

❎ 단점

• 동시에 같은 메모리 위치에 접근하게 되면 일관성 문제가 발생할 수 있음.
  -> 이에 대해 커널이 관여하지 않기 때문에 process끼리 공유 메모리 접근에 대한 동기화 문제를 해결

📄 예시: 공유메모리, POSIX

메세지 전달 (Message passing)

send(message) / receive(message) 두가지 연산을 사용하여 kernel system call을 통한 메세지 전달

✅ 장점

• 충돌을 회피할 필요가 없음 -> 적은양의 데이터를 교환하는데 유리

❎ 단점

• 메모리 공유보다 속도가 느림

📄 예시: Pipe, socket, message queue

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동기화 문제 

동기화 문제

: 여러 thread가 동일한 자원에 동시에 접근하여 엉뚱한 값을 읽거나 수정하는 문제

해결법

Mutex

• 공유자원에 접근할 수 있는 process / thread의 수를 1개로 제한
• 임계영역을 보호하고, 경쟁상황을 방지하기 위해 mutex lock 사용

💡 process / thread는 임계영역에 들어가기 전에 반드시 lock을 획득해야 하고, 임계구역을 빠져나올 때 lock을 반환

acquire() // available = false;
// 임계영역 실행
release() // available = true;

Semaphore

• 공유 자원에 접근할 수 있는 process / thread의 개수를 2개 이상으로 지정
• S(세마포): 동시에 접근 가능한 process / thread 갯수
  • S>0: 임계영역에 접근이 가능하다.
  • S==0: 임계영역에 접근이 불가능하다.

wait(S) // S--
// 임계영역 실행
signal(S) // S++

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교착상태(Deadlock)

둘 이상의 thread가 각기 다른 thread가 점유하고 있는 자원을 서로 기다릴 때, 무한 대기에 빠지는 상황

조건

1. 상호 배제: 동시에 한 thread만 자원을 점유할 수 있는 상황
2. 점유 대기: thread가 자원을 보유한 상태에서 다른 thread가 보유한 자원을 추가로 기다리는 상황
3. 비선점: 다른 thread가 사용 중인 자원을 강제로 선점할 수 없는 상황
4. 순환 대기: 대기 중인 thread들이 순환 형태로 자원을 대기하고 있는 상황

해결 방법

기법	설명	비고
무시	deadlock 발생 확률이 낮은 시스템에서 아무런 조치도 취하지 않고, deadlock을 무시하는 방법	- 시스템 성능 저하가 없음 - 현대 시스템에서는 deadlock이 발생하지 않고, 해결 비용이 크기 때문에 무시 방법이 많이 사용 됨
예방	교착 상태의 4가지 발생 조건 중 하나가 성립하지 않게 하는 방법	- 순환 대기 조건이 성립하지 않도록 하는것이 현실적으로 가능한 예방 기법 - 자원 사용의 효율성이 떨어지고 비용이 큼
회피	thread가 앞으로 자원을 어떻게 요청할지에 대해 정보를 통해 순환 대기 상태가 발생하지 않도록 자원을 할당하는 방법	- 자원할당 그래프 알고리즘, 은행원 알고리즘 등을 사용하여 자원을 할당
탐지 - 회복	시스템 검사를 통해 deadlock발생을 탐지하고, 이를 회복하는 방법	- 자원 사용의 효율성이 떨어지고 비용이 큼