[OS] 공유 자원과 임계 구역

📈 공유 자원에 대한 접근

공유 자원이란?

공유 자원이란 여러 프로세스가 함께 사용하는 자원을 말한다. 예를 들어 변수, 메모리 공간, 파일 등이 있다. 이러한 자원은 여러 프로세스가 공동으로 사용하기 때문에, 누가 먼저 접근하느냐에 따라 결과가 달라질 수 있다.

 

 

문제 상황: 공유 변수

예를 들어, 은행 계좌에 10만 원이 들어 있는 상태라고 가정한다. 여기서 두 개의 프로세스(P1과 P2)가 동시에 입금을 시도한다고 하자.

 

단계	P1 행동	P2 행동
1	예금 확인 → 10만 원	예금 확인 → 10만 원
2	예금에 10만 원 추가 → 20만 원	예금에 5만 원 추가 → 15만 원
3	예금 저장 → 20만 원 저장	예금 저장 → 15만 원 저장

 

이 경우, 마지막에 실행된 P2가 덮어쓰면서 예금은 15만 원으로 남게 된다. 실제로는 25만 원이 되어야 정상인데, 하나의 입금이 무시된 결과가 나온 것이다.

 

 

 

경쟁 조건 (Race Condition)

 

경쟁 조건이란, 둘 이상의 프로세스가 동시에 공유 자원에 접근하면서, 그 접근 순서에 따라 결과가 달라지는 상황을 말한다. 이때 어떤 프로세스가 먼저 실행되느냐에 따라 결과가 달라지므로, 결과를 예측할 수 없게 된다.

 

 

➰ 임계구역 (Critical Section)

정의

임계구역이란 공유 자원에 접근하는 코드 영역을 말한다. 여러 프로세스가 이 영역을 동시에 실행하면 결과가 잘못 나올 수 있기 때문에, 특별히 관리가 필요하다.

 

 

예시

예금 입금 코드 중에서:

예금 확인 → 입금 → 저장

이 부분이 바로 임계구역이다. 이 코드는 동시에 실행되면 안 되는 중요한 구간이다.

 

 

비유로 이해하기: 주방의 믹서

• 가스레인지는 여러 명이 동시에 사용 가능하므로 공유해도 문제가 없다.
• 반면, 믹서기는 하나뿐이므로 한 명씩만 써야 한다.

 

만약 두 사람이 동시에 믹서를 쓰면, 수프 재료와 주스 재료가 섞여버릴 수 있다. 그래서 믹서기를 한 명씩 순서대로 사용해야 하는 것처럼, 임계구역도 한 번에 하나의 프로세스만 들어가야 한다.

 

임계구역의 특징

1. 동시에 하나의 프로세스만 접근할 수 있어야 한다.
2. 다른 프로세스는 임계구역 밖에서 기다려야 한다.
3. 이 영역은 배타적으로 실행되어야 하며, 선점이 불가능하다.

 

중요성

임계구역을 제대로 관리하지 않으면, 경쟁 조건이 발생하여 잘못된 결과가 나온다. 예금 예시처럼, 실제 입금 금액이 반영되지 않는 문제가 발생할 수 있다.

 

 

🚧 생산자-소비자 문제

개념

 

생산자-소비자 문제는 두 개의 독립된 프로세스 간의 상호작용을 설명한다.

 

• 생산자(Producer)는 데이터를 만들어 버퍼에 저장한다.
• 소비자(Consumer)는 버퍼에서 데이터를 꺼내 사용한다.

 

이때 버퍼는 공유 자원이기 때문에, 동시에 접근하면 문제가 생길 수 있다.

 

 

구조

• 공유 자원: 원형 버퍼 (Circular Buffer)
• 공유 변수: sum → 현재 버퍼에 있는 항목 수를 저장하는 변수

 

예시 코드

생산자:

input(buf);
sum = sum + 1;

 

소비자:

output(buf);
sum = sum - 1;

 

 

문제 발생 시나리오

1. 생산자와 소비자가 동시에 sum 값을 읽는다 (둘 다 3이라고 읽음)
2. 생산자: sum = 3 + 1 → 4
3. 소비자: sum = 3 - 1 → 2
4. 둘 중 하나가 마지막에 덮어쓴다 → 결과는 2 또는 4

 

그러나 실제로는 생산도 1번, 소비도 1번 일어났기 때문에 정상적인 sum 값은 3이어야 한다. 잘못된 값이 저장되는 이 상황도 경쟁 조건이다.

 

 

해결 방법

이 문제를 해결하려면, sum에 대한 접근을 임계구역으로 만들어야 한다. 생산자와 소비자가 동시에 sum을 수정하지 못하도록 막아야 한다.

 

 

하드웨어 자원 예시

프린터도 마찬가지로 하나의 공유 자원이다. A 사용자가 여성 사진을 출력하고, B 사용자가 물고기 사진을 출력하려는 상황을 생각해보자.

만약 동시에 작업하면 반인반어 사진이 나올 수도 있다. 그래서 프린터도 임계구역으로 관리해야 하며, 한 번에 한 사람만 사용할 수 있어야 한다.

 

 

🪖 임계구역 문제 해결 조건

 

1. 상호 배제 (Mutual Exclusion)

• 임계구역에는 동시에 하나의 프로세스만 들어갈 수 있어야 한다.
• 여러 프로세스가 동시에 접근하면 데이터 오류가 발생한다.
• 비유: 믹서기를 두 사람이 동시에 사용하면 안 된다.

 

2. 한정 대기 (Bounded Waiting)

• 어떤 프로세스도 무한정 기다려서는 안 된다.
• 요청한 프로세스는 언젠가는 반드시 임계구역에 들어갈 수 있어야 한다.
• 비유: 요리사 A가 계속 믹서를 독점해 요리사 B가 계속 기다리는 건 안 된다.

 

3. 진행의 융통성 (Progress / Flexibility)

• 임계구역에 진입할 의사가 없는 프로세스가 다른 프로세스의 진입을 방해해서는 안 된다.
• 공유 자원이 비어 있다면, 필요한 프로세스는 즉시 진입할 수 있어야 한다.
• 비유: 요리사 A가 쉬고 있을 때, 요리사 B는 바로 믹서를 써야 한다. 기다릴 필요가 없다.

 

조건	설명	비유
상호 배제	한 번에 하나만 접근	믹서는 한 명씩만 사용
한정 대기	무한 대기 방지, 공정성	모두 언젠가는 믹서 사용 가능
진행의 융통성	방해 없이 자유롭게 진입	비어 있으면 바로 사용 가능