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[운영 체제] 5강 - 병행 프로세스

Posted Apr 6, 2025
By mxxikr
read 17 min

💡해당 게시글은 방송통신대학교 김진욱 교수님의 '운영 체제' 강의를 개인 공부 목적으로 메모하였습니다.



학습 개요

  • 병행 프로세스 중 협력 프로세스에서 발생할 수 있는 구체적인 문제로 생산자-소비자 문제와 판독기-기록기 문제가 있음
  • 협력 프로세스 사이에는 데이터를 공유하기 위해 통신이 필수인데, 이 과정에서도 다양한 문제가 발생할 수 있음
  • 생산자-소비자 문제, 판독기-기록기 문제의 예를 통해 협력 프로세스의 일반적 구현 방법을 학습함
  • 병행 프로세스 사이의 통신을 위한 방법에 대해 논리적 측면에서 살펴봄



학습 목표

  • 생산자-소비자 문제를 알아보고, 세마포어를 이용하여 해결할 수 있음
  • 판독기-기록기 문제를 알아보고, 세마포어를 이용하여 해결할 수 있음
  • 프로세스 간 통신을 위한 논리적 구조를 설명할 수 있음



강의록

생산자-소비자 문제

생산자-소비자 문제 정의

  • 두 협력 프로세스 사이에 버퍼를 두고 생산자와 소비자의 상황을 다루는 문제

    image.png

    • 생산자
      • 데이터를 넣는 프로세스
    • 소비자
      • 데이터를 꺼내는 프로세스

생산자-소비자 문제 조건

  • 버퍼에 여러 프로세스가 동시에 접근할 수 없음
    • 버퍼에 데이터를 넣는 동안에는 데이터를 꺼낼 수 없음
    • 버퍼에서 데이터를 꺼내는 동안에는 데이터를 넣을 수 없음
    • 상호 배제 필요
  • 버퍼의 크기가 유한 (유한 버퍼 문제)
    • 버퍼가 가득 찬 경우 생산자는 대기해야 함
    • 버퍼가 빈 경우 소비자는 대기해야 함
    • 동기화 필요

세마포어를 이용한 해결

  • 상호 배제: 세마포어 mutex (초깃 값 1)

    image.png

    • P(mutex)
      • 세마포어 변수 S의 값을 1 감소 시킴
      • 만약 S 값이 0보다 작아지면 해당 프로세스는 S 값이 0 이상이 될 때까지 대기(block)
    • V(mutex)
      • 세마포어 변수 S의 값을 1 증가 시킴
      • 만약 이 증가로 인해 S 값이 0보다 커지면 대기 중인 프로세스 중 하나를 깨움

    • 생산자의 코드

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        While (true) {
      데이터를 생산
        	
      P(mutex);	// 진입 영역
      버퍼에 데이터를 넣음 // 임계 영역
      V(mutex); // 해제 영역
        
  }

    • 소비자의 코드

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        While(true) {
            
      P(mutex); // 진입 영역
      버퍼에서 데이터를 꺼냄 // 임계 영역
      V(mutex); // 해제 영역
            
      데이터를 소비
  }

  • 버퍼가 가득 찬 경우 동기화: 세마포어 empty(초깃 값 n)

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    • n
      • 버퍼 크기

    • 생산자의 코드

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        While (true) {
      데이터를 생산
      P(empty); // 버퍼에 빈 공간이 있는지 확인
      P(mutex); // 버퍼 접근 권한 획득 (다른 프로세스 접근 금지)
      버퍼에 데이터를 넣음
      V(mutex);
        
  }

    • 소비자의 코드

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        While(true) {
        
      P(mutex);
      버퍼에서 데이터를 꺼냄
      V(mutex);
      V(empty); // 빈 공간이 생겼음을 알림
      데이터를 소비
            
  }

  • 버퍼가 빈 경우 동기화: 세마포어 full(초깃 값 0)

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    • 생산자의 코드

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        While (true) {
      데이터를 생산
      P(empty);
      P(mutex);
      버퍼에 데이터를 넣음
      V(mutex);
      V(full); // 버퍼에 데이터가 채워졌음을 알림
  }

    • 소비자의 코드

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        While(true) {
      P(full); // 버퍼에 데이터가 있는지 확인
      P(mutex);
      버퍼에서 데이터를 꺼냄
      V(mutex);
      V(empty);
      데이터를 소비
  }

  • 3개의 세마포어: mutex(초깃 값 1), empty(초깃 값 n), full(초깃 값 0)

    image.png

    • mutex
      • 상호 배제를 위한 이진 세마포어 (초깃 값 1)
      • 버퍼 자체에 동시에 접근하는 것을 막음
    • empty
      • 비어있는 버퍼 슬롯의 개수를 나타내는 계수 세마포어 (초깃 값 n, n=버퍼 크기)
    • full
      • 채워진 버퍼 슬롯의 개수를 나타내는 계수 세마포어 (초깃 값 0)

판독기-기록기 문제

판독기-기록기 문제 정의

  • 여러 협력 프로세스 사이에 공유 자원을 두고 판독기와 기록기의 상황을 다루는 문제

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    • 판독기(Reader)
      • 데이터를 읽는 프로세스
    • 기록기(Writer)
      • 데이터를 쓰는 프로세스

판독기-기록기 문제 조건

  • 하나의 기록기가 공유 자원에 데이터를 쓰는 중에는 다른 기록기나 판독기는 공유 자원에 접근할 수 없음
    • 공유 자원에 데이터를 쓰는 동안에는 누구도 접근할 수 없음 (기록기 배타적 접근)
    • 공유 자원에서 데이터를 읽는 동안에는 데이터를 쓸 수 없음 (판독 중 기록 불가)
      • 상호 배제 필요
  • 여러 판독기는 동시에 공유 자원에서 데이터를 읽을 수 있음
    • 판독기가 읽는 중 새로운 판독기 읽기 시도 → 가능
    • 판독기가 읽는 중 기록기 대기 → 새로운 판독기 읽기 시도 → 가능/불가능

제1 판독기 - 기록기 문제

  • 판독기가 공유 자원에 접근 중이라면 기록기보다 판독기에 우선 순위를 줌
  • 즉, 새로운 판독기는 즉시 공유 자원에 접근 가능
  • 문제점
    • 기록기의 기아 상태 유발 가능

세마포어를 이용한 해결(판독기 우선)

  • 상호 배제: 세마포어 wrt (초깃값 1)

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    • 기록기의 코드

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        P(wrt);
  공유자원에 쓰기
  V(wrt);

    • 판독기의 코드

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        P(wrt);
  공유자원에서 읽기
  V(wrt);

    • 문제점

      • 판독기 간 병행성 없음
      • 한 번에 하나의 판독기만 가능

  • 판독기 우선 : 일반 변수 rcount(초깃 값 0), 세마포어 mutex(초깃 값 1)

    image.png

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    • 2개의 세마포어 wrt(초깃 값 1), mutex(초깃 값 1), 일반 변수 rcount(초깃 값 0)

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        P(wrt);
  // 공유 자원에 쓰기
  V(wrt);

    • 판독기의 코드

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        P(mutex); // rcount 보호 임계 영역
  rcount = rcount + 1; // 읽으려는 판독기의 개수 표현
  if (rcount == 1) P(wrt); // 판독기가 이미 읽고 있는 상황이면 P연산자 바이패스 가능
  V(mutex);
        
  공유자원에서 읽기
        
  P(mutex); // rcount 보호 임계 영역
  rcount = rcount - 1;
  if (rcount == 0) V(wrt); // 마지막 판독기가 쓰기 허용
  V(mutex);

    • 문제점

      • 기록기 기아 상태 발생 가능
      • 판독기가 계속 들어오면 기록기 영원히 대기

제2 판독기 - 기록기 문제

  • 판독기가 공유 자원에 접근 중이라면 판독기보다 기록기에 우선 순위를 줌
  • 즉, 대기 중인 기록기가 있다면 새로운 판독기는 공유 자원에 접근 불가능
  • 문제점
    • 판독기의 병행성이 떨어짐
    • 판독기의 기아 상태 유발 가능

세마포어를 이용한 해결(기록기 우선)

  • 5개의 세마포어 rd(초깃 값 1), wrt(초깃 값 1), mutex1(초깃 값 1), mutex2(초깃 값 1), mutex3(초깃 값 1)

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    • 기록기의 코드

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        P(mutex2); // wcount 보호
  wcount = wcount + 1;
  if (wcount == 1) P(rd); // 첫 기록기가 판독 금지
  V(mutex2);
        
  P(wrt); // 쓰기 작업 자체 보호
  공유자원에 쓰기
  V(wrt);
        
  P(mutex2); // wcount 보호
  wcount = wcount - 1;
  if (wcount == 0) V(rd); // 마지막 기록기가 판독 허용
  V(mutex2);

    • 판독기의 코드

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        P(mutex3); // 판독기 진입 경쟁 관리
  P(rd);     // 기록기가 없을 때만 진입 허용
  P(mutex1); // rcount 보호
  rcount = rcount + 1;
  if (rcount == 1) P(wrt); // 첫 판독기가 쓰기 금지
  V(mutex1);
  V(rd);
  V(mutex3);
        
  공유자원에서 읽기
        
  P(mutex1); // rcount 보호
  rcount = rcount - 1;
  if (rcount == 0) V(wrt); // 마지막 판독기가 쓰기 허용
  V(mutex1);

프로세스 간 통신

프로세스 간 통신 (IPC)

  • Inter-Process Communication
  • 병행 프로세스가 데이터를 서로 공유하는 방법
    • 공유 메모리 방법
    • 메시지 전달 방법
  • 하나의 운영 체제에서 두 방법 함께 사용 가능

공유 메모리 방법

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  • 협력 프로세스가 동일한 변수를 사용
    • 동일한 변수 : 공유 자원인 메모리 공간 사용
  • ex)
    • 생산자-소비자 문제의 유한 버퍼
    • 판독기-기록기 문제의 공유 자원
  • 대량 데이터 교환
    • 고속 통신 가능
  • 통신 상 발생 가능 문제 해결
    • 응용 프로그래머

메시지 전달 방법

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  • 협력 프로세스가 메세지를 주고 받음
    • 시스템 호출 send(), receive() 사용
  • 소량 데이터 교환에 적합
    • 인자 값으로 데이터 전달
  • 통신 상 발생 가능 문제 해결
    • 운영 체제

메세지 전달 방법의 논리적 구조

  • 통신 링크

    image.png

    • 메시지가 지나다니는 통로

  • 통신 링크의 구현 형태

    • 연결 대상
      • 두 프로세스, 셋 이상 프로세스
    • 두 프로세스 사이 링크 개수
      • 하나, 둘 이상
    • 방향성
      • 단방향 , 양방향
    • 용량
      • 무한, 유한, 0

통신 링크의 용량

  • 무한

    image.png

    • 송신자는 대기 없음

  • 유한

    image.png

    • 송신자는 큐가 가득 차면 대기

  • 0

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    • 송신자는 수신자가 메시지를 받을 수 있을 때까지 대기

직접 통신

  • 두 프로세스가 직접 서로를 지정하여 메세지 전달

    image.png

    • 송수신 시 명시적으로 상대방 프로세스 지정
      • send(B, message)
        • 프로세스 B에게 메시지를 보냄
      • receive(A, message)
        • 프로세스 A로부터 메시지를 받음
    • 오직 하나의 통신 링크가 자동 설정
    • 하나의 통신 링크는 오직 두 프로세스 사이에만 연관
    • 통신 링크는 양방향

  • 대칭형 주소 지정

    image.png

  • 비대칭 주소 지정

    image.png

    • 수신자가 여러 송신자와 통신 링크를 갖는 경우 사용

간접 통신

  • 프로세스 사이에 둔 우편함을 통해 메세지 전달

    image.png

    • send(X, message)
      • 우편함 X에 메시지를 보냄
    • receive(X, message)
      • 우편함 X에서 메시지를 받음
    • 같은 우편함을 이용하는 경우 통신 링크 설정
    • 여러 우편함을 이용하면 여러 개의 통신 링크 존재
    • 하나의 통신 링크가 여러 프로세스와 연관 가능
    • 통신 링크는 단방향 또는 양방향

  • 우편함이 수신 프로세스에 소속

    image.png

    • 수신자 하나
    • 통신 링크는 단방향
    • 수신 프로세스가 종료하면 우편함도 사라짐

  • 우편함이 운영 체제에 소속

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    • 수신자 여럿
    • 한순간에 하나의 수신자만 가능
    • 운영 체제가 수신자 관리
    • 통신 링크는 양방향



정리 하기

  • 생산자-소비자 문제는 상호 배제와 동기화가 필요한 문제로 세마포어를 이용하여 구현할 수 있음
  • 판독기-기록기 문제는 기록기는 상호 배제가 필요하나 판독기는 상황에 따라 다른 처리가 필요한 문제로 세마포어를 이용하여 구현할 수 있음
  • 판독기-기록기 문제는 특정 상황에서 판독기에 우선순위를 주는 형태의 문제와 기록기에 우선순위를 주는 형태의 문제로 정의할 수 있음
  • 프로세스 간 통신 방법에는 공유 메모리 방법과 메시지 전달 방법이 있음
  • 공유 메모리 방법은 협력 프로세스가 공유 메모리를 이용하는 동일한 변수를 사용함으로써 데이터를 서로 공유하는 방법임
  • 메시지 전달 방법은 협력 프로세스가 메시지를 주고받으면서 데이터를 서로 공유하는 방법임
  • 메시지 전달 방법에는 송신자와 수신자가 직접 서로를 지정하여 메시지를 주고받는 직접 통신 방법과 우편함을 통하여 메시지를 주고받는 간접 통신 방법이 있음
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