병행 프로세스 (1) - 협력 프로세스, 세마포어 연산

병행성(concurrency) 

• 여러 개의 프로세스 또는 쓰레드가 동시에 실행되는 시스템의 특성 
• 병렬 처리와 다르게 단일 CPU 환경에서도 가능 

병행 프로세스

• 동시 수행되는 여러개의 프로세스 또는 쓰레드 

병행 프로세스의 실행 형태 

1. 단일 CPU: 인터리빙 형식 
   • CPU가 빠르게 번갈아가며 프로세스를 실행 
   • 실제 동시 실행이 아닌 시분할 방식으로 동작
2. 다중 CPU: 병렬처리 
   • 여러 개의 CPU가 각각 프로세스를 실행

강결합 시스템(공유 메모리 구조)

• 여러 개의 프로세스가 공유 메모리를 통해 데이터 교환
• 프로세스간 통신이 빠르지만 동기화 문제 발생 가능 

약결합 시스템(분산 메모리 구조) 

• 각 프로세스가 독립적인 메모리를 가짐
• 메시지 전달을 통해 통신 

프로세스 간의 관계 

독립 프로세스

• 다른 프로세스와 상태 및 데이터를 공유하지 않음
• 실행 결과는 입력에 의해서만 결정됨
• 결정적: 같은 입력이면 동일한 결과
• 재생 가능: 언제 실행해도 결과 동일

협력 프로세스

• 다른 프로세스와 상호작용하며 데이터를 공유
• 실행 순서에 따라 결과가 달라질 수 있음
• 비결정적: 실행 순서에 따라 결과 변동
• 재생 불가능: 같은 입력이어도 실행 순서가 다르면 결과 달라질 수 있음

협렵 프로세스의 병행성 문제 

1. 상호배제
   • 두 개 이상의 프로세스가 동시에 임계영역을 실행하지 못하도록 하는 것
   • 임계영역: 동시에 접근하면 안 되는 공유 자원(메모리, 파일 등)을 사용하는 코드 영역
2. 동기화
   • 여러 프로세스가 올바른 순서로 실행되도록 조정하는 것
   • 예: 생산자-소비자 문제 (생산자가 먼저 데이터를 만들어야 소비자가 사용 가능)
3. 통신
   • 프로세스들이 데이터를 교환하는 메커니즘
   • IPC (Inter-Process Communication)
     • 공유 변수: 변수를 통해 직접 데이터 공유
     • 메시지 전달: 메시지를 주고받으며 통신

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세마포어 (semaphore)

• 상호배제와 동기화 문제를 해결하기 위한 도구
• 공유 변수(정수 값)와 두 가지 연산(P, V)으로 동작
• 상호배제와 동기화 문제 해결에 사용됨 

세마포어의 특징

• 정수형 변수를 사용하여 프로세스 간 접근 제어
• 저장 값:
  • 사용 가능한 자원의 개수 또는 잠김(locked) / 풀림(unlocked)의 상태를 나타냄
  • 0 이상의 정수 값으로 초기화됨
• P, V 연산을 통해 원자적으로 조작됨
  • 원자적(Atomic) → 한 번 실행되면 중간에 끼어들 수 없음

 

세마포어 연산 (P, V)) 

P연산 (Proberen, Test)

자원을 사용해도 되는지 검사하고 가능하면 사용하도록 감소시키는 연산 

1. 세마포어 값(S) 확인
2. S > 0 이면 S = S - 1 (자원을 사용) 
3. S = 0 이면 자원이 없으므로 대기 상태 

예제) 

• 자원이 3개 (S = 3) 일 때, P 연산을 호출하면 하나 감소됨
• S = 0 인경우 프로세스틑 블록(대기)상태에 들어감 

P(S) 실행 → S = 2
P(S) 실행 → S = 1
P(S) 실행 → S = 0 (더 이상 자원 없음, 다음 요청은 대기)

V연산 (Vehogen, Signal)

자원을 사용이 끝나면 반납하고 다른 프로세스를 깨우는 연산 

1. 세마포어 값(S)을 증가시킴(S = S + 1) 
2. 대기중인 프로세스가 있으면 깨움 

예제)

• S = 0 인 상태에서 V(S) 호출시 

V(S) 실행 → S = 1 (자원 하나가 사용 가능해짐)

세마포어를 이용한 상호배제 구현

semaphore S = 1; // 초기값 1

void critical_section() {
    P(S);  // 자원 사용 (락)
    // 여기가 임계영역
    V(S);  // 자원 반납 (언락)
}

 

• P(S) 실행 → S = 0이 되어 다른 프로세스는 대기
• V(S) 실행 → S = 1이 되어 다른 프로세스가 실행 가능