(10) 경쟁 상태 ( Race Condition )

1. 경쟁 상태란?

1-1) 정의

공유 자원에 여러 프로세스 / 스레드가 동시에 접근할 때, 결과값에 영향을 줄 수 있는 상태

 

1-2) 발생 환경/경우

(a) 멀티프로세스 / 스레드 환경

> 프로세스 : IPC ( Inter Process Communication ) 

> 스레드 : 한 프로세스 내부에서 data영역에 동시 접근할 수 있는 2개 이상의 스레드

 참조 : https://korshika.tistory.com/144

(7) IPC - Inter Process Communication

• 문제점 : 멀티 프로세서 환경에서 2개의 CPU가 동시에 커널 내부의 공유 데이터에 접근하여 조작하는 경우
                 혹은 멀티 스레드 환경에서 공통 자원을 병행하여 작업할 때
  > Race condition 관계는 다음과 같은 3가지 문제에 직면
  

  Mutual exclusion, deadlock, starvation

   

  ① Mutual exclusion

  Race condition을 막기 위해서는 두 개 이상의 프로세스가 공용 데이터에 동시에 접근을 하는 것을 막아야 한다. 즉, 한 프로세스가 공용 데이터를 사용하고 있으면 그 자원을 사용하지 못하도록 막거나, 다른 프로세스가 그 자원을 사용하지 못하도록 막으면 이 문제를 피할 수 있다. 이것을 상호 배제(mutual exclusion)라고 부른다.

   

  ② Deadlock

  그러나 위와 같은 상호 배제를 시행하면 추가적인 제어 문제가 발생한다. 하나는 교착상태 즉 여기서 말하는 Deadlock이다. 프로세스가 각자 프로그램을 실행하기 위해 두 자원 모두에 엑세스 해야 한다고 가정할 때 프로세스는 두 자원 모두를 필요로 하므로 필요한 두 리소스를 사용하여 프로그램을 수행할 때까지 이미 소유한 리소스를 해제하지 않는다. 이러한 상황에서 두 프로세스는 교착 상태에 빠지게 되는 문제가 발생할 수 있다.

   

  ③ Starvation

  이 제어 문제는 ‘기아 상태’라고도 한다. 이러한 문제는 프로세스들이 더 이상 진행을 하지 못하고 영구적으로 블록되어 있는 상태로, 시스템 자원에 대한 경쟁 도중에 발생할 수 있고 프로세스 간의 통신 과정에도 발생할 수 있는 문제이다. 두 개 이상의 작업이 서로 상대방의 작업이 끝나기만을 기다리고 있기 때문에 결과적으로는 아무것도 완료되지 못하는 상태가 되게 된다.

  
  
  
• 해결법 : 커널 내부에 있는 각 공유 데이터에 접근할 때마다, 그 데이터에 대한 lock/unlock을 하는 방법
  > Semaphore / Mutex로 해결
  

  Semaphore(세마포어)

  

  공유된 자원의 데이터를 여러 프로세스가 접근하는 것을 막는 것이다. 또한 세마포어는 리소스의 상태를 나타내는 간단한 카운터라고 할 수 있는데, 일반적으로 비교적 긴 시간을 확보하는 리소스에 대해 이용하게 되며, 운영체제의 리소스를 경쟁적으로 사용하는 다중 프로세스에서 행동을 조정하거나 동기화 시키는 기술이다. 다시 말해서 하나의 스레드만 들어가게 할 수도 있고 여러 개의 스레드가 들어가게 할 수 있다. 이것이 뮤텍스와의 차이이다.

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  세마포어는 Signaling 메커니즘이라는 점에서 뮤텍스와 다르다. 세마포어는 락을 걸지 않은 쓰레드도 Signal을 보내 락을 해제할 수 있다는 점에서, wait 함수를 호출한 쓰레드만이 signal 함수를 호출할 수 있는 뮤텍스와 다르다.

  세마포어는 동기화를 위해 wait와 signal이라는 2개의 atomic operations를 사용한다.

  wait를 호출하면 세마포어의 카운트를 1줄이고, 세마포어의 카운트가 0보다 작거나 같아질 경우에 락이 실행된다. 

  Semaphore의 cnt 값은 지정한 만큼 한 공유 자원에 대해 여러 스레드가 돌게 할 수도 있다.

   

  struct semaphore {
      int count;
      queueType queue;
  };
  
  void semWait (semaphore s) {
      s.count--;
      if (s.count <= 0) {
      	// 락이 걸리고 공유 자원에 접근할 수 없음
      }
  } 
  
  void semSignal (semaphore s) {
      s.count++;
      if (s.count <= 0) {
      	// 아직 락에 걸려 대기중인 프로세스가 있음
      }
  }

  세마포어의 카운트가 0보다 작거나 같아져 동기화가 실행된 상황에, 다른 쓰레드가 signal 함수를 호출하면 세마포어의 카운트가 1증가하고, 해당 쓰레드는 락에서 나올 수 있다.

  세마포어는 크게 Counting Semaphores, Binary Semaphore 2종류가 있다. 카운팅 세마포어는 세마포어의 카운트가 양의 정수값을 가지며, 설정한 값만큼 쓰레드를 허용하고 그 이상의 쓰레드가 자원에 접근하면 락이 실행된다. 바이너리 세마포어는 세마포어의 카운트가 1이며 Mutex처럼 사용될 수 있다.

  (뮤텍스는 절대로 세마포어처럼 사용될 수 없다.)

   

   

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  Mutex(뮤텍스)

  

  공유된 자원의 데이터를 여러 스레드가 접근하는 것을 막는 방법이다. 즉, Critical Section(각 프로세스에서 공유 데이터를 엑세스하는 프로그램 코드 부분)을 가진 쓰레드들의 Running time이 서로 겹치지 않게 각각 단독으로 실행되게 하는 기술이다. 다중 프로세스들이 공유 리소스에 대한 접근을 조율하기 위해 locking과 unloking을 사용하는데, 다시 말해서 상호배제를 함으로써 두 쓰레드가 동시에 사용할 수 없다는 뜻이다.

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  뮤텍스는 자원에 대한 접근을 동기화하기 위해 사용되는 상호배제 기술이다. 이것은 프로그램이 시작될 때 고유한 이름으로 생성된다. 뮤텍스는 Locking 메커니즘으로 오직 하나의 쓰레드만이 동일한 시점에 뮤텍스를 얻어 임계 영역(Critical Section)에 들어올 수 있다. 그리고 오직 이 쓰레드만이 임계 영역에서 나갈 때 뮤텍스를 해제할 수 있다.

  wait syntax 사용

   

  wait (mutex);
  …..
  Critical Section
  …..
  signal (mutex);

  위의 수도코드는 뮤텍스의 과정을 보여주고 있는데, 락을 얻은 쓰레드만이 임계 영역을 나갈 때 락을 해제해줄 수 있다. 이러한 이유는 뮤텍스가 1개의 락만을 갖는 Locking 메커니즘이기 때문이다.

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  세마포어와 뮤텍스의 차이

   

  뮤텍스는 Locking 메커니즘으로 락을 걸은 쓰레드만이 임계 영역을 나갈때 락을 해제할 수 있다. 하지만 세마포어는 Signaling 메커니즘으로 락을 걸지 않은 쓰레드도 signal을 사용해 락을 해제할 수 있다. 세마포어의 카운트를 1로 설정하면 뮤텍스처럼 활용할 수 있다.

   

   

 

(b) 커널 작업

커널 작업을 수행하는 도중에 인터럽트 발생

커널이란?

 

운영체제의 핵심적인 부분으로 다른 모든 부분에 여러 기본적인 서비스를 제공해줌

1. 하드웨어와 프로세스를 잇는 핵심 interface

2. 수행하는 일

1. 메모리 관리: 메모리가 어디에서 무엇을 저장하는 데 얼마나 사용되는지를 추적합니다.
2. 프로세스 관리: 어느 프로세스가 중앙 처리 장치(CPU)를 언제 얼마나 오랫동안 사용할지를 결정합니다.
                               → CPU Scheduling
3. 장치 드라이버: 하드웨어와 프로세스 사이에서 중재자/인터프리터의 역할을 수행합니다.
4. 시스템 호출 및 보안: 프로세스의 서비스 요청을 수신합니다.

컴퓨터 과학에서 커널(kernel)은 컴퓨터의 운영 체제의 핵심이 되는 컴퓨터 프로그램의 하나로, 시스템의 모든 것을 완전히 통제한다.[1] 운영 체제의 다른 부분 및 응용 프로그램 수행에 필요한 여러 가지 서비스를 제공한다. 핵심(核心)[2]이라고도 한다.

• 문제점 : 커널모드에서 데이터를 로드하여 작업을 수행하다가 인터럽트가 발생하여 같은 데이터를 조작하는 경우
• 해결법 : 커널모드에서 작업을 수행하는 동안, 인터럽트를 disable 시켜 CPU 제어권을 가져가지 못하도록 한다.

 

 

(c) 프로세스의 System call

프로세스가 System call을 하여 커널 모드로 진입하여 작업 도중, Syntax 변경이 이루어질 때

참조 :

https://korshika.tistory.com/140?category=970462 

(5) System Call

• 문제점 : 프로세스1이 커널모드에서 데이터를 조작하는 도중, 시간이 초과되어 CPU 제어권이 프로세스2로 넘어가 같은 데이터를 조작하는 경우 ( 프로세스2가 작업에 반영되지 않음 )
• 해결법 : 프로세스가 커널모드에서 작업을 하는 경우 시간이 초과되어도 CPU 제어권이 다른 프로세스에게 넘어가지 않도록 함

 

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참조

https://gyoogle.dev/blog/computer-science/operating-system/Race%20Condition.html

경쟁 상태(Race Condition) | 👨🏻‍💻 Tech Interview

https://korshika.tistory.com/144

(7) IPC - Inter Process Communication

https://jhnyang.tistory.com/35

[운영체제]동기화 Synchronization 문제, Race Condition