OS Critical Section 임계 구역

임계 구역 (Critical Section)

임계 구역은 여러 스레드 또는 프로세스가 동시에 접근할 수 없는 코드 블록을 말합니다. 이는 공유 자원에 접근하는 코드에서 동시 실행으로 인해 잘못된 동작이 발생할 수 있는 부분을 보호하는 역할을 합니다. 즉, 여러 작업이 경쟁 상태(Race Condition)를 일으킬 수 있는 부분을 임계 구역으로 설정하여 동기화합니다.

임계 구역에서는 하나의 스레드 또는 프로세스만 접근할 수 있으며, 다른 스레드나 프로세스는 그 구역이 해제될 때까지 기다려야 합니다. 이로 인해 공유 자원에 대한 동시 접근이 제한되어, 데이터의 일관성과 무결성을 유지할 수 있습니다.

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임계 구역의 주요 요구 사항

임계 구역을 설정할 때는 다음과 같은 조건을 만족해야 합니다.

1. 상호 배제(Mutual Exclusion):
   • 한 번에 하나의 스레드만 임계 구역에 들어갈 수 있어야 합니다.
   • 다른 스레드는 해당 스레드가 임계 구역을 빠져나올 때까지 기다려야 합니다.
2. 진행 조건(Progress):
   • 임계 구역에 진입하고자 하는 스레드가 있을 경우, 다른 스레드가 임계 구역을 빠져나오면 즉시 그 스레드가 들어갈 수 있어야 합니다. 대기 중인 스레드가 없다면 진입이 가능해야 합니다.
3. 유한 대기(Bounded Waiting):
   • 어떤 스레드도 임계 구역에 무한히 대기하지 않아야 합니다.
   • 특정 스레드가 계속해서 진입하지 못하는 기아 상태(Starvation)를 방지해야 합니다.

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임계 구역에서 발생할 수 있는 문제

• Race Condition: 여러 스레드가 동시에 임계 구역에 접근하여 공유 자원을 수정할 경우, Race Condition이 발생할 수 있습니다.
• Deadlock(교착 상태): 두 개 이상의 스레드가 서로 임계 구역에서 대기하는 상황에서, 서로가 상대방의 자원을 기다리며 무한 대기에 빠질 수 있습니다.
• Starvation(기아 상태): 특정 스레드가 계속해서 임계 구역에 진입하지 못하고 무한 대기에 빠지는 상황입니다.

이를 방지하기 위해 동기화 기법을 통해 임계 구역에 대한 안전한 접근을 보장합니다.

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임계 구역 설정을 위한 동기화 기법

임계 구역을 보호하기 위한 동기화 기법에는 여러 가지가 있으며, 주로 다음과 같은 방법들이 사용됩니다.

1. 뮤텍스(Mutex):
   • 뮤텍스는 하나의 스레드만 임계 구역에 접근할 수 있도록 제한하는 잠금 메커니즘입니다.
   • 다른 스레드는 뮤텍스가 해제될 때까지 대기해야 합니다.

pthread_mutex_lock(&mutex); // 뮤텍스 잠금 

// 임계 구역 코드 

pthread_mutex_unlock(&mutex); // 뮤텍스 해제

2. 세마포어(Semaphore):
   • 세마포어는 뮤텍스와 비슷하지만, 동시 접근 가능한 스레드의 개수를 조정할 수 있습니다.
   • 세마포어 값을 이용해 여러 스레드가 임계 구역에 접근할 수 있는 수를 제어합니다.

sem_wait(&sem); // 세마포어 잠금 

// 임계 구역 코드 

sem_signal(&sem); // 세마포어 해제

3. 모니터(Monitor):
   • 모니터는 임계 구역을 자동으로 관리해 주는 고급 동기화 기법으로, 임계 구역에 들어갈 수 있는 스레드를 제어합니다.
   • 주로 Java나 C# 같은 고급 언어에서 사용됩니다.
4. 스핀락(Spinlock):
   • 스핀락은 임계 구역에 들어갈 수 있을 때까지 짧은 반복(바쁜 대기)을 수행합니다. 이는 잠금이 곧 해제될 것으로 예상되는 경우에 유용하지만, 대기 시간이 길어지면 비효율적입니다.

while (__sync_lock_test_and_set(&lock, 1)) { 
      // 잠금 대기 중 (busy-waiting) 
} 

// 임계 구역 코드 

__sync_lock_release(&lock); // 잠금 해제

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임계 구역을 사용하는 동기화 예시 (C언어)

문제 상황: 두 스레드가 동시에 공유 자원에 접근하려고 할 때, 임계 구역을 통해 Race Condition을 방지하는 예시입니다.

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

int shared_var = 0; // 공유 자원
pthread_mutex_t mutex; // 뮤텍스 선언

void* thread_function(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex); // 뮤텍스 잠금 (임계 구역 진입)
        shared_var++;               // 공유 자원 수정
        pthread_mutex_unlock(&mutex); // 뮤텍스 해제 (임계 구역 종료)
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t t1, t2;

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 뮤텍스 초기화

    // 두 스레드 생성
    pthread_create(&t1, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, thread_function, NULL);

    // 두 스레드 종료 대기
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);

    // 최종 결과 출력
    printf("최종 공유 자원 값: %d\n", shared_var);

    pthread_mutex_destroy(&mutex); // 뮤텍스 제거
    return 0;
}

설명:

• pthread_mutex_lock(&mutex): shared_var에 접근하기 전에 뮤텍스를 잠급니다. 이를 통해 임계 구역에 하나의 스레드만 접근할 수 있도록 만듭니다.
• pthread_mutex_unlock(&mutex): shared_var에 대한 작업이 끝나면 뮤텍스를 해제하여 다른 스레드가 임계 구역에 접근할 수 있도록 합니다.

이 프로그램에서 뮤텍스를 사용하지 않으면 Race Condition이 발생하여 shared_var의 최종 값이 예상한 값과 달라질 수 있습니다. 그러나 뮤텍스를 사용함으로써 임계 구역에 대한 접근이 안전하게 이루어집니다.

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결론

• 임계 구역은 공유 자원에 대한 동시 접근을 방지하기 위해 설정된 코드 블록입니다.
• Race Condition을 방지하기 위해 뮤텍스, 세마포어, 스핀락 등 다양한 동기화 기법이 임계 구역을 보호하는 데 사용됩니다.
• 적절한 임계 구역 설정은 데이터 무결성을 보장하고, 동시성 프로그래밍에서 중요한 역할을 합니다.