운영체제: 프로세스 동기화 - 세마포어

 프로세스 간의 정보를 주고 받거나, 하나의 공유된 영역을 사용할 경우에는 주의가 필요하다. 예를 들어 프로세스 A는 1번지 메모리 공간에 10이라는 값을 읽어 오고자하였으나, 프로세스 B가 프로세스 A가 읽는 직전에 20이라는 값으로 변경해 버리면 원하지 않는 값이 반환되는 결과가 발생한다. 이렇게 상호적으로 영향을 미치는 프로세스들을 Cooperating Process라고 한다. 이와 반대인 경우 Independent Process라고 한다.

 

 각 프로세스로 인해 공유 데이터의 일관성을 보장하지 못하는 것을 막기 위해 동기화(Synchronization)가 필요하다. 앞서 말한 간단한 예시에서 원치 않는 값을 반환받지 않으려면, 프로세스 A → 프로세스 B의 순서를 보장할 경우 이와 같은 문제를 해결할 수 있다. 이 뿐만 아니라, 공유 데이터를 한번에 하나의 프로세스만 접근할 수 있는 방식을 사용하여 문제를 해결할 수 도 있다.

 

Bank Account Problem (은행 계좌 문제)

 동기화 문제 중 직관적으로 이해할 수 있고, 대표적인 문제가 은행 계좌에 금액이 입출금 될 경우이다. 만약 입출금 과정의 순위가 보장되지 않는다면, 원치 않는 결과를 초래하게 될 것이다.

 

class BankAccount {
    int balance;
    void deposit(int amount) {
        balance += amount;
    }

    void withdraw(int amount) {
        balance -= amount;
    }

    int getBalance() {
        return balance;
    }
}

class Parent extends Thread {
    BankAccount b;
    int count;
    Parent(BankAccount b, int count) {
        this.b = b;
        this.count = count;
    }

    public void run() {
        for (int i = 0; i < count; i++)
            b.deposit(1);
    }
}

class Child extends Thread {
    BankAccount b;
    int count;
    Child(BankAccount b, int count) {
        this.b = b;
        this.count = count;
    }

    public void run() {
        for (int i = 0; i < count; i++)
            b.withdraw(1);
    }
}


public class Test {
    static final int MAX = 100;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 은행 계좌 객체 생성
        BankAccount b = new BankAccount();
        // 쓰레드 객체 생성
        Parent p = new Parent(b, MAX);
        Child c = new Child(b, MAX);
        // 쓰레드 실행
        p.start();
        c.start();
        p.join();
        c.join();
        // 잔액 출력
        System.out.println("Final balance = " + b.getBalance());
    }
}

 위의 간단한 자바 코드와 같이 입금을 하는 객체인 Parent와 출금을 하는 객체인 Child가 BanckAccount라는 공용자원을 사용하고 있다. 예제 코드는 심플하여 두개의 쓰레드가 공용자원을 사용하며 상황에 따라 원치않는 결과가 나올 수 있다. 외와 같은 이유는 입출금에 대한 순서가 보장되지 않기 때문이다. (코드를 실행하면 매 실행마다 입출금의 순서가 다르게 출력되는 것을 알 수 있다.)

 

임계 구역 (Critical Section)

 여러 프로세스(쓰레드)가 사용하는 공유자원에 대한 변경이 발생하는 코드 영역을 임계 구역이라고 한다. 은행 계좌 문제 코드에서는 deposit, withdraw 메소드가 이에 해당한다.

 

임계 구역에 여러 프로세스(쓰레드)가 진입하더라도 데이터의 일관성을 보장하기 위해 다음과 같은 조건을 만족시킬 필요가 있다.

1. Mutual Exculsion : 임계 구역에 하나의 프로세스(쓰레드)가 진입한 상태라면 다른 쓰레드는 진입 할 수 없다.

2. Progess : 1의 조건을 충족시키기 위해, 임계 구역에 접근하기 위한 다른 프로세스(쓰레드)들은 대기가 필요할 것이다. 따라서 임계 구역의 동작은 간단하고 짧은 시간 내에 이루어져야 한다.

3. Bounded Wating : 임계 구역을 진입하는 프로세스(쓰레드)는 일정 시간 내에 진입할 수 있어야 한다.

 

프로세스(쓰레드) 동기화

앞서 발생하는 동시에 임계구역에 접근하는 문제로 인해 발생하는 문제를 해결하기 위해서는 동기화가 필요하다. 동기화를 통해 프로세스의 실행 순서를 제어 할 수 있으며, 임계 구역 진입을 위한 불필요한 Wating을 제거할 수 있다.

 

Semaphore (세마포어)

 임계 구역에 진입하기 위해, 임계 구역에 진입할 수 있는 권한을 획득하고 권한을 획득한 경우에만 임계 구역에 진입할 수 있도록 하는 동기화 방식을 말한다. 자바의 경우 쓰레드 사용 시 java.util.concurrent.Semaphore를 통해 세마포어 객체를 생성하여, 임계 구역의 문제를 방지할 수 있다.

 

BankAccount Problem (USE Semaphore)

import java.util.concurrent.Semaphore;

class BankAccount {
    int balance;
    Semaphore s;

    BankAccount() {
        s = new Semaphore(1);
    }

    void deposit(int amount) {
        try {
            s.acquire();
        } catch (InterruptedException e) { }

        balance += amount;

        s.release();
    }

    void withdraw(int amount) {
        try {
            s.acquire();
        } catch (InterruptedException e) { }
        
        balance -= amount;

        s.release();
    }

    int getBalance() {
        return balance;
    }
}

동시에 여러 쓰레드가 임계 구역에 접근하는 것을 막기 위해 자바에서는 위와 같이 구현할 수 있다. 기존 코드와 달리 BackAccount Generator에서 세모포어 객체를 할당하고, 하나의 쓰레드만 접근할 수 있게 permits의 값을 1로 설정한다. 또한, deposit과 withdraw 함수가 호출되면, 세모포어를 획득/ 해제 하는 코드를 통해 임계 구역에 하나의 쓰레드만 접근할 수 있도록 할 수 있다.

 

Ordering

 단순히 세모포어를 적용할 경우의 문제점은 여전히 입출금에 대한 순서를 보장하지 않는다. 따라서 실제 상황와 비슷하게 입출금에 따른 순서를 보장시키기 위해서는 다음과 같은 과정이 필요하다.

 

class BankAccount {
    int balance;
    Semaphore critical;
    Semaphore order;

    BankAccount() {
        critical = new Semaphore(1);
        order = new Semaphore(0);
    }

    void deposit(int amount) {
        try {
            critical.acquire();
        } catch (InterruptedException e) { }

        balance += amount;

        critical.release();
        order.release();
    }

    void withdraw(int amount) {
        try {
            order.acquire();
            critical.acquire();
        } catch (InterruptedException e) { }

        balance -= amount;

        critical.release();
    }

    int getBalance() {
        return balance;
    }
}

 임계 구역에 대한 접근은 세모포어 획득 / 해제를 통해 보장하였다. 순서를 보장하기 위해서는 세모포어를 0으로 설정하고, 입금할 때 해제하고 출금 할때 획득하는 방식을 사용하면 순서를 보장할 수 있다.