[CS / 운영체제(OS)] ep18. Multi process/thread 환경에서 동기화 문제를 어떻게 해결하나요?

🤔 면접 질문

 

Q1. Multi process/thread 환경에서 동기화 문제를 어떻게 해결하나요?

 

A1. 동기화문제를 해결하기 위해 mutex, semaphore 기법 등을 사용할 수 있습니다. Mutex란 1개의 스레드만이 공유 자원에 접근할 수 있도록 하여, 경쟁 상황(race condition)를 방지하는 기법입니다.

 

공유 자원을 점유하는 thread가 lock을 걸면, 다른 thread는 unlock 상태가 될 때까지 해당 자원에 접근할 수 없습니다.

 

Semaphore란 S개의 thread만이 공유 자원에 접근할 수 있도록 제어하는 동기화 기법입니다. Semaphore 기법에서는 정수형 변수 S(세마포) 값을 가용한 자원의 수로 초기화하고, 자원에 접근할 때는 S-- 연산을 수행하여 세마포 값을 감소시키고 자원을 방출할 때는 S++ 연산을 수행하여 세마포 값을 증가시킵니다.

 

이 때 세마포 값이 0이 되면 모든 자원이 사용 중임을 의미하고, 이후 자원을 사용하려는 프로세스는 세마포 값이 0보다 커질 때까지 block 됩니다.

 

 

 

💡 면접🐕🍯 tip

 

mutex와 semaphore는 면접 질문에서 자주 나오는 용어이다. 이를 설명하기 위해서는 동기화 문제가 무엇이고 왜 발생하는지에 대해서 설명을 할줄 알아야 한다.

 

multi process/thread 환경에서는 서로 다른 thread가 메모리 영역을 공유하기 때문에 여러 thread가 동일한 자원에 동시에 접근하여 엉뚱한 값을 읽거나 수정하게 되는 동기화 문제가 발생할 수 있다.

 

더 잘 이해하기 위해 atomic operation과 경쟁상황을 살펴보길 바란다. 동기화 문제를 해결하기 위해 임계영역을 설정하고, mutex와 semaphore 기법을 사용한다. 각 기법의 특징을 중심으로 답변을 하면 된다.

 

 

 

1️⃣ 동기화 문제

 

동기화 문제란 서로 다른 thread가 메모리 영역을 공유하기 때문에 여러 thread가 동일한 자원에 동시에 접근하여 엉뚱한 값을 읽거나 수정하는 문제이다.

 

아래 예시를 통해 자세히 알아보자

 

count++를 CPU 입장에서 분해해보면 3개의 atomic operations으로 나뉜다.

1. count 변수의 값을 가져온다.
2. count 변수의 값을 1 증가시킨다.
3. 변경된 count 값을 저장한다.

CPU는 atomic operation을 연산하게 됩니다. 따라서 count++을 하기 위해 3번의 연산을 하게 된다.

 

시분할 시스템으로 작동하는 multi process/multi thread 시스템에서, 두 개의 thread가 동일한 데이터인 count에 동시에 접근을 하여 조작을 하는 상황을 가정해보자.

 

thread1에서도 count++를 하고, thread2에서도 count++를 한다면 그 실행 결과가 접근이 발생한 순서에 따라 달라질 수 있다. 이를 경쟁상황(race condition)이라고 한다.

 

즉, 둘 이상의 thread가 동일한 자원에 접근하여 조작하고, 그 실행 결과가 접근이 발생한 순서에 따라 달라지는 경쟁상황에 의해서 동기화 문제가 발생할 수 있다.

 

경쟁 상황으로부터 보호하기 위해, 우리는 한 순간에 하나의 process/thread만 해당 자원에 접근하고 조작할 수 있도록 보장해야 한다. 다시 말해서 process/thread들이 동기화되도록 할 필요가 있다.

 

 

 

 

2️⃣ 임계영역(critical section)

 

둘 이상의 process/thread가 동시에 동일한 자원에 접근하도록 하는 프로그램 코드 부분을 의미한다. 중요한 특징중 하나는, 한 process/thread가 자신의 임계구역에서 수행하는 동안에는 다른 process/thread들은 그들의 임계구역에 들어갈 수 없어야 한다. 즉, 임계영역 내의 코드는 원자적으로(atomically) 실행이 되어야 한다.

 

원자적으로 실행 되기 위해서 각각의 process/thread는 자신의 임계구역으로 진입하려면 진입 허가를 요청해야한다. 이 부분을 entry section이라고 하고, 진입이 허가되면 임계영역을 실행할 수 있다.

 

임계영역이 끝나고 나면 exit section으로 퇴출을 하게 된다. 임계영역의 원자성을 보장하여 process/thread들이 동기화되도록 할 수 있다. 동기화 방법은 대표적으로 Mutex와 Semaphore가 있다.

 

 

 

 

3️⃣ Mutex

 

동기화 방법중 하나로 mutual exclusion의 축약어다. 공유자원에 접근할 수 있는 process/thread의 수를 1개로 제한한다.

 

임계영역을 보호하고, 경쟁상황을 방지하기 위해 mutex lock을 사용한다. 즉 process/thread는 임계영역에 들어가기 전에 반드시 lock을 획득해야 하고, 임계구역을 빠져나올 때 lock을 반환해야 한다.

 

acquire()함수가 lock을 획득하고 release()함수가 lock을 반환한다.

 

acquire() // entry section

// critical section

release() // exit section

 

busy waiting은 다른 process/thread가 생산적으로 사용할 수 있는 CPU를 낭비한다는 단점이 있다.

 

 

 

 

4️⃣ Semaphore

 

동기화 방법중 하나로, mutex와 가장 큰 차이점은 공유 자원에 접근할 수 있는 process/thread의 개수가 2개 이상이 될 수 있다는 것이다.

 

semaphore 변수 S(세마포)에 동시에 접근 가능한 process/thread의 갯수를 저장한다. S가 0보다 크면 임계영역으로 들어갈 수 있고, 임계영역에 들어가면 S값을 1 감소시킨다.

 

S값이 0이 되면 다른 process/thread는 임계영역으로 접근할 수 없다. 임계영역에서의 작업이 끝나고 임계영역에서 exit하면서 S값을 1 증가시킨다.

 

 

wait(S) // entry section

// critical section

signal(S) // exit section

 

semaphore값이 0,1만 가질 수 있는 경우 binary semaphore라고 하는데, 이는 mutex랑 거의 유사하게 작동한다.

 

 

 

 

🚀 심화 면접 질문

 

Q2. mutex와 semaphore 기법을 비교 설명해 주세요.

 

A2. mutex는 오직 1개의 process/thread만이 공유 자원에 접근할 수 있고, semaphore는 세마포 변수의 값만큼의 process/thread들이 동시에 자원에 접근할 수 있습니다.

 

mutex는 binary semaphore라고 할 수 있습니다.