- Published on
[ OS ] 동시성 문제(Concurrency Issue)
- Authors
- Name
- 유사공대생
동시성 이슈란?
동시성 문제란, 두 개의 상태의 세션이 공통된 자원에 대해 모두 읽고 쓰는 작업 (Read → Write)를 할 때 발생하는 문제를 뜻한다.
Critical Section
임계구역이라고 하는 Critical Section은 한 번에 하나의 프로세스만 엑세스 할 수 있는 코드 영역을 의미한다.
프로세스는 일반적으로 4가지의 코드 영역으로 나뉜다.
Entry Section
Critical Section에 진입하기 위해 진입허가 요청을 하는 영역이다. Critical Section에 진입하는 것을 제어한다 하는데 이를 Lock한다고 한다.
Critical Section
하나의 프로세스 만 접근할 수 있는 영역이다.
Exit Section
Lock을 해체하는 등, 더 이상 Critical Section에 존재하지 않을 때 알리는 역할을 한다.
Reminder Section
입력 섹션, 중요 섹션 및 종료 섹션을 제외한 코드의 다른 부분을 나머지 섹션이라고 한다.
Critical Section(임계 구역)에는 둘 이상의 프로세스가 동시에 접근을 할 수 없다. 각 프로세스별로 자신의 임계구역에 들어가기 위해서는 Entry Section에서 진입 허가를 받고 접근을 해야 한다.
만약, 여러 프로세스가 동시에 임계구역에 접근을 하려고 한다면 Race Condition이 발생을 한다.
RaceCondition
여러 프로세스가 동시에 공유 데이터에 접근을 할 때 실행 순서에 따라서 결과값이 달라지는 것을 의미한다.
예를 들어, 사람 A와 사람 B가 있다고 하자. 사람 A가 은행이라는 자원에서 돈을 입금하고, 사람 B가 입금을 하면 문제가 없을 것이다. 하지만 위 그림처럼 한번에 은행 금액을 조회, 수정, 저장을 하면 큰 문제가 발생한다. 이런 에러의 발생이 바로 RaceCondition이다.
RaceCondition의 해결방법
이런 RaceCondition을 해결하는 방법에는 크게 두가지가 있다. 세마포어(Semaphore)와 뮤텍스(Mutual Exclusion)이다. 이 두 해결방법의 차이는 메커니즘과 동기화 대상의 차이이다.
세마포어(Semaphore)
락을 걸지 않은 프로세스, 혹은 스레드도 Signal을 보내 Lock을 해제할 수 있다. 시그널을 통해서 프로세스 혹은 스레드의 Lock을 잠그고 풀 수 있다.
뮤텍스(Mutex)
하나의 프로세스 혹은 스레드만이 Lock을 걸고 풀 수 있다.
DeadLock
앞선 RaceCondition을 해결하게 되더라도 또 다른 문제가 있다. 특정 조건에서 둘 이상의 작업이나 프로세스가 서로 상대방의 작업이 끝나기를 기대리며 무한히 멈춰 있을 수 있다. 각 작업은 다른 작업이 가진 자원을 기다리는데, 동시에 자신이 자원을 놓지 않아 상호간에 대기 상태에 머무르게 된다. 이걸 DeadLock이라고 부른다.
특정조건은 총 4가지이다.
- 상호 배제(Mutual Exclusion)
- 점유 대기(Hold and Wait)
- 비선점(No Preemption)
- 순환 대기(Circular Wait)
이 조건들을 보니 어디서 본 조건이 있다. 바로 Mutual Exclusion(Mutex), 상호배제이다. 그래서 RaceCondition에서 문제를 해결 할 때 위 조건이 있다면 Semaphore 방법을 이용하는 것이 좋다.
DeadLock 해결방법
DeadLock 문제를 해결하기 위해서는 4가지 방법이 있다. 교착 상태 예방, 회피, 무시, 발견 이렇게 4가지이다.
교착 상태 예방
상호 배제 조건의 제거 - 교착 상태에서는 서로 같은 공유자원을 접근할 때 발생하는 오류이다. 즉, 상호배제 조건을 제거하면 교착상태를 예바할 수 있다.
점유와 대기 조건의 제거 - 한 프로세스가 수행되기 전 모든 자원을 할당시키고, 이 후 자원이 할당되지 않을 때 다른 프로세스가 요청할 수 있게끔 하는 방법이다. - 이는 자원의 효율성 문제와 자원파악 비용, 자원 저장 및 복원 비용, 기아상태, 무한대기 등의 문제점이 있다.
비선점 조건 제거 - 비선점 프로세스에 대해 선점 가능한 프로토콜을 만들어 준다.
환형 대기 조건의 제거 - 자원 유형에 따라 순서를 매긴다.
교착 상태의 회피
자원이 어떻게 요청이 될 지 추가정보를 제공하도록 요구하는 것으로, 시스템에 Circle Wait이 발생하지 않도록 자원 할당 상태를 검사하는 것이다.
방법에는 크게 두가지가 있다.
- 자원 할당 그래프 알고리즘
- 은행원 알고리즘
교착 상태의 무시
예방 혹은 회피기법을 프로그래밍해서 넣게 되면 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 따라서 데드락의 발생 확률이 낮을 경우 별 다른 조치를 취하지 않는다.
교착 상태의 발견
감시/발견을 하는 Detection 알고리즘으로, DeadLock 발생을 체크하는 방식, 이 방식 역시 성능에는 큰 영향을 미친다.
출처
Programming - Atomic Operations and Critical Sections in OpenMP