Software 로직으로 이리 보고
Hardware Instruction으로 저리 봐도
while로 가짜로 대기하는 Busy-Waiting이슈를 피할 수는 없었고
이외에도 다른 이슈가 생기기 마련이었습니다
그럼 어떡하면 좋죠..?
사실 프로세스 다루는 일은 OS가 전문입니다
그런 OS가 미리 만들어두고 제공하는, Mutual Exclusion을 위한 툴이 있는데
Semaphore와 Monitor입니다
바로 알아봅시다
Semaphore
Semaphore는 하나의 구조체 변수로, 정수 변수 하나와 큐를 가집니다.
또한 이 semaphore는 세 가지의 atomic한 operation을 가지는데,
- Semaphore 정수 변수를 초기화 (주의 : 음수로 초기화 X)
SemWait: 정수 변수의 값을 하나 빼고, 결과가 0보다 작으면 현재 프로세스(값을 하나 뺀 프로세스)를 block시킨다 => 큐로 이동SemSignal: 정수 변수의 값을 하나 더하고, 결과가 0보다 작거나 같으면 큐에서 (블락되었던) 프로세스를 하나 꺼내준다.
Semaphore의 구조와 operation을 코드처럼 나타내보면 다음과 같습니다.
struct semaphore {
int count;
queueType queue;
};
void semWait(semahore s) {
s.count--; // 하나 빼고,
if(s.count < 0) { //뺀 결과가 0보다 작으면,
/* place this process in s.queue */ //큐에 넣고
/* block this process */ //블락
}
}
void semSignal(semaphore s) {
s.count++; //하나 더하고,
if (s.count <= 0) { //결과가 0보다 작거나 같으면,
/* remove a process P from s.queue */ //큐에서 아무거나 하나 제거하고
/* place process P on ready list */ //레디 큐로 보낸다 (실행하라고 보냄)
}
}semWait을 실행하면,s.count값에 따라 블락되어s.queue로 들어갈 수도, 넘어갈 수도 있습니다.semSignal을 실행하면,s.count값에 따라s.queue에서 프로세스를 하나 꺼내 실행가능하게 할 수 있습니다.
그럼, s.count값을 2으로 초기화한 경우 semWait과 semSignal에 따라 어떻게 되는지 생각해봅시다
s.count==2이고,semWait:s.count--이후 값이 1이므로 블락되지 않음s.count==1이고,semWait:s.count--이후 값이 0이므로 블락되지 않음s.count==0이고,semSignal:s.count++이후 값이 1이므로, 큐에서 프로세스를 꺼내지 않음(사실은, 큐에 프로세스가 하나도 없음)s.count==1이고,semWait: 위에서와 동일하게, 블락되지 않음s.count==0이고,semWait:s.count--이후 값이 -1이므로, 해당 프로세스는 블락되어 큐에 들어감s.queue에는 프로세스가 1개
s.count==-1이고,semWait:s.count--이후 값이 -2이므로, 해당 프로세스는 블락되어 큐에 들어감s.queue에는 프로세스가 2개
s.count==-2이고,semSignal:s.count++이후 값이 -1이므로, 큐에서 프로세스를 하나 해방s.queue에는 프로세스가 1개
s.count==-1이고,semSignal:s.count++이후 값이 0이므로, 큐에서 프로세스를 하나 해방s.queue에는 프로세스가 0개
s.count==0이고,semSignal:s.count++이후 값이 1이므로, 큐에서 프로세스를 꺼내지 않음(사실은, 큐에 프로세스가 하나도 없음)
구구절절 썼는데요.. 규칙이 보이시나요?
결국 semaphore의 값, 즉
s.count의 값은 음수냐 양수냐에 따라서
s.count <= 0: |s.count값| == 블락되어 큐에 들어가 있는 프로세스 개수s.count >= 0:s.count값 == 블락되지 않고 지나갈 수 있는 프로세스 개수
라는 결론에 도달합니다.
그리고 앞에서 처음 semaphore에 대해 이야기할 때,
semaphore는 음수로 초기화하면 안 된다고 잠깐 써뒀는데,
그 이유가 여기서부터 비롯됩니다
내 맘대로 초기값을 -5로 두고 semSignal을 호출하면 blocked queue에 보낸 것이 없는데 꺼내려고 하겠죠?
양치기소년이 될 수 있으니 주의합시다
그럼 이제, Semaphore로 C.S에 한 번에 한 프로세스만 진입하도록
Mutual Exclusion을 보장하려면..
semaphore s = 1;
...
semWait(s);
/* Critical Section */;
semSignal(s);
...이렇게, semaphore 값을 1로 초기화하여 단 하나의 프로세스만 semWait를 통과할 수 있도록 하고,
C.S에 들어가기 전에 semWait를 실행하여 semaphore 값이 1이었다면 진입, 0 이하였다면 대기하도록 하며,
C.S를 나오면 semSignal로 대기하던 프로세스를 하나 깨워줍니다.
매우 간단해졌죠??
마치 C.S에 혼자 들어가기 위해
C.S 전에는 문을 걸어잠그고
C.S를 빠져나올 때는 열쇠를 두고 가는 셈입니다
Binary Semaphore
위에서 이야기한 semaphore는 굳이 따지면 Counting Semaphore이고,
Binary Semaphore도 있는데요
이 경우 정수 변수인 int count 대신 enum {zero, one} value;와 같은 ON/OFF값을 가집니다
struct binary_semaphore {
enum {zero, one} value;
queueType queue;
}
void semWaitB(binary_semaphore s) {
if (s.value == one)
s.value = zero; //1인 경우에만 0으로 바꾼다 (통과)
else { //0인 경우, 이 프로세스를 블락.
/* place this process in s.queue */
/* block this process */
}
}
void semSignalB(binary_semaphore s) {
if (s.queue is empty()) //큐가 비었는지 확인하고,
s.value = one; //큐가 비어있으면 1로 돌린다
else { //큐에 프로세스가 남아있다면 레디 큐로 하나 풀어준다
/* remove a process P from s.queue */
/* place process P on ready list */
}
}이 경우 큐에 프로세스가 얼마나 있다거나, 몇 개나 통과할 수 있다거나, 이런 것은 알 수없지만
count변수를 따로 유지하거나 할 수도 있긴 합니다
그리고 geeksforgeeks에 따르면
전에 썼던 C++에서 멀티스레딩 써보는 포스팅에서 사용했던 Mutex가 이러한 Binary Semaphore의 일종이라는 것 같습니다.
딱 하나만 지나갈 수 있게 허락하는 Semaphore로 상호배제를 구현하는 셈.
확실히 좋아진 것 같긴한데, 아직도 Semaphore로는 부족한게
아직도 자꾸 몽총한 제가 관리하라고 떠넘기죠?
count 값도 그렇고.. 알아서 잠그고 들어가서 열쇠 놓고 가라고 하고..
이러다 제가 실수로 열쇠 두고 가는 것을 깜빡하면 어쩌죠?
변기칸을 잠그고 도망가버리는 어글리 코리안이 되기 십상입니다
그래서 나온게
Monitors
Monitor는 Program-Language Construct, 즉 동기화를 위한 어떤 라이브러리 함수나 패키지같은 것이라고 보면 되는데
구조는 일단 아래와 같이 생겨먹습니다
자세히는 이어 설명하겠지만
해당 그림에서 MONITOR 영역, 즉 하얀 색 영역은 그 자체로 Critical Section으로,
사실상 하나의 성역같은 것이라
그 안에는 단 하나의 프로세스만 들어갈 수 있고
그 안에 있는 지역 변수는 그 안에서만 접근 가능하며
미리 정의된 Procedure(≈ function)로만 그 지역 변수를 읽고 쓸 수 있습니다
좀 더 친숙하게는
🚽 화장실 변기칸 같아서
🚶 그 안에 사람은 한 명만 들어가서 문을 걸어잠그고
🧻 그 안에 있는 휴지는 그 안에 들어간 사람만 쓸 수 있고
💩 그 안에서 할 수 있는 일은..
;;
아무튼 예.. 그렇습니다
아예 Scope를 분리해서 C.S로 만들어버리고, 접근은 정해진 함수로만 하는 의존성 역전 like한 발상
좋은데요
그래서 Monitor는 아래와 같은 구성요소들을 포함하는데
- 한 개 이상의 procedure (≈ functino)
- 모니터만의 지역 변수
- Condition 변수
- 초기화를 위한 코드
이 Condition 변수는 Semaphore와 되게 비슷한 친구인데
얘도 큐를 가지고 있고, cwait(c), csignal(c) 함수를 가집니다
Semaphore랑 다른 점은 Condition 변수는 값이 없다라는 점인데
따라서 cwait은 값이고 뭐고 블락시켜 큐에 집어넣고,
csignal은 값이고 뭐고 해당하는 큐에서 하나 꺼내옵니다
그리고 아까 Monitor 구조 그림에서 좌측 하단에 urgent queue라는게 있는데
요거는 이제 어떤 procedure에서 중간에 csignal(c)가 실행되면 프로세스를 깨우게 되니까
Monitor 내에는 단 하나의 프로세스만 존재한다는 철칙을 지키기 위해
깨어난 프로세스를 위한 자리를 내주고 csignal(c)를 실행한 프로세스는 여기에서 잠시 숨는 곳입니다
이제 이 OS에서 제공하는 Semaphore나 Monitor라는 툴을 써서
다른 새로운 문제들을 기깔나게 해결하는 방법을 알아보려고 하는데
이쯤되면 그거까지 고봉밥으로 담기에는 양이 많아지는 것 같으니
다음 포스팅에 쓰겠습니다?
이만 마칩니다