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프로세스의 동기화와 임계구역 문제 해결 방법

프로세스의 동기화와 하드웨어 기반 해결법 이해하기

여러 프로세스나 스레드가 동시에 실행되는 시스템에서는, 하나의 데이터를 여러 프로세스가 동시에 접근할 때 문제가 발생할 수 있다. 이런 현상을 경쟁 조건(race condition) 이라 부른다. 이 경쟁 조건을 방지하기 위해 프로세스의 실행을 조정하는 메커니즘이 필요하며, 이를 프로세스 동기화(process synchronization) 라고 한다.

임계구역(Critical Section)이란?

임계구역이란 하나 이상의 프로세스나 스레드가 공유된 자원을 접근하거나 수정하는 코드 부분을 말한다. 여러 프로세스가 동시에 임계구역에 진입하면 데이터 일관성이 깨질 수 있기 때문에, 임계구역에서는 반드시 한 프로세스만 실행될 수 있도록 해야 한다. 이를 보장하기 위한 조건으로는 다음의 세 가지가 있다.

  • 상호 배제(mutual exclusion): 당연하게도, 특정 프로세스가 임계구역을 실행 중이라면 다른 프로세스는 진입할 수 없다.
  • 진행(progress): 데드락을 피하기 위해, 아무 프로세스도 임계구역에서 실행되지 않을 때, 임계구역에 진입하려는 프로세스가 있다면, 어느 프로세스라도 진입할 수 있는 결정은 반드시 이루어져야 한다.
  • 한정된 대기(bounded waiting): 기아 상태를 피하기 위해, 임계구역 진입을 요청한 프로세스가 무한정 대기하지 않고, 제한된 횟수 내에 진입할 수 있어야 한다.

하드웨어를 통한 동기화 방법

프로세스 동기화를 소프트웨어만으로 해결하는 방법도 있지만, 현대 시스템은 하드웨어적인 지원을 통해 동기화를 더욱 효율적이고 안정적으로 구현한다. 다음은 대표적인 하드웨어 동기화 방법들이다.

메모리 장벽(Memory Barriers)

메모리 장벽은 CPU가 명령어를 재정렬하여 실행하는 것을 방지하는 하드웨어 명령이다. 최신 프로세서는 성능 향상을 위해 연산의 순서를 바꿀 수 있지만, 동기화 작업에서는 명령의 순서가 중요하기 때문에 이를 제어하는 메모리 장벽이 필수적이다. 메모리 장벽은 한 프로세서에서 변경된 메모리 내용이 모든 프로세서에 즉시 반영되도록 보장하여, 프로세서 간 데이터 일관성을 유지한다.

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X = 100;
memory_barrier(); // 메모리 장벽
flag = true;

위 코드에서는 메모리 장벽이 있으므로 X의 값이 flag 값 설정 이전에 확실히 저장된다.

Test-and-Set과 Compare-and-Swap 연산

현대 프로세서는 원자적 연산(Atomic Operation)을 지원하여 프로세스 동기화를 보다 간단히 해결한다. 원자적 연산이란 프로세스가 중단되거나 인터럽트 없이 단일 명령어로 완벽하게 수행되는 연산이다.

  • Test-and-Set 명령어는 원자적으로 특정 변수를 검사하고 값을 설정하는 명령이다. 일반적으로 락(lock)을 구현할 때 사용된다.

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    boolean test_and_set(boolean *target) {
    boolean rv = *target;
    *target = true;
    return rv;
}

    프로세스는 이 명령어를 통해 락을 얻거나 풀 수 있으며, 한 프로세스가 락을 얻는 동안 다른 프로세스는 이를 기다리게 된다.

  • Compare-and-Swap (CAS) 명령어는 세 개의 파라미터를 받아서 특정 메모리의 값을 기대값(expected value)과 비교한 후, 일치할 때에만 새로운 값으로 변경한다.

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    int compare_and_swap(int *value, int expected, int new_value) {
    int temp = *value;
    if (*value == expected)
        *value = new_value;
    return temp;
}

    CAS를 통해 임계구역 진입 여부를 제어하여 동기화를 수행한다.

원자적 변수(Atomic Variables)

원자적 변수는 프로세스 간에 공유되는 변수를 안전하게 갱신할 수 있도록 지원한다. 예를 들어, 원자적 정수형 변수에 대해 증가(increment) 연산을 수행하면, 이 연산은 원자적으로 처리되어 경쟁 조건을 방지한다. C#에서는 아래와 같이 사용할 수 있다.

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int counter = 0;
Interlocked.Increment(ref counter);

하지만 원자적 변수만으로는 조건부 대기 문제(예를 들어 버퍼가 비어있을 때 소비자 프로세스가 기다리는 상황 등)는 해결할 수 없기 때문에, 더욱 복잡한 동기화 도구가 필요할 수 있다.

Mutex Locks (뮤텍스 락)

뮤텍스(mutex)는 “Mutual Exclusion"의 줄임말로, 프로세스 간 상호 배제를 간단하게 구현하는 방법이다. 뮤텍스 락은 다음의 두 가지 기본 연산을 제공한다.

  • acquire(): 락을 얻는다. 만약 락이 이미 획득된 상태라면 대기(busy waiting)하거나 프로세스를 블록시킨다.
  • release(): 락을 반환하여 다른 프로세스가 사용할 수 있게 한다.

뮤텍스 락은 임계구역을 보호하는 간편한 소프트웨어 도구로서 프로그래머가 쉽게 사용할 수 있으며, 운영체제 수준에서도 널리 활용된다.

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acquire() {
    while (!available); // 락이 풀릴 때까지 대기
    available = false;
}

release() {
    available = true; // 락을 반환
}
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