운영체제 - 제 5장 병행 프로세스2

5.1 생산자-소비자 문제

5.1.1 생산자-소비자 문제의 정의

• 생산자-소비자 문제
  • 두 협력 프로세스 사이에 버퍼를 둠
  • 생산자 : 데이터를 넣는 프로세스
  • 소비자 : 데이터를 꺼내는 프로세스
  • 조건 1 : 버퍼에 여러 프로세스가 동시에 접근할 수 없음
    • 상호배제 필요
  • 조건 2 : 버퍼의 크기가 유한함
    • 동기화 필요
• 생산자-소비자 문제를 유한 버퍼 문제라고도 함
  • 버퍼가 가득 찬 경우 : 생산자가 기다리게 됨
  • 버퍼가 빈 경우 : 소비자가 기다리게 됨

5.1.2 세마포어를 이용한 해결

• 3개의 세마포어 이용
  • mutex : 상호배제 해결
    • 초깃값 = 1
  • empty : 버퍼가 가득 찬 경우의 동기화
    • 초깃값 = 버퍼의 크기 n
  • full : 버퍼가 빈 경우의 동기화
    • 초깃값 = 0

생산자의 코드

while(true){
데이터를 생산
P(empty);
P(mutex);
버퍼에 데이터를 넣음
V(mutex);
V(full);
}

소비자의 코드

while(true)
{
P(full);
P(mutex);
버퍼에서 데이터를 꺼냄
V(mutex);
V(empty);
데이터를 소비
}

판독기 - 기록기 문제

5.2.1 판독기 - 기록기 문제의 정의

• 판독기 - 기록기 문제
  • 여러 협력 프로세스가 파일 같은 공유자원을 사이에 둠
  • 판독기 : 데이터를 읽는 프로세스
  • 기록기 : 데이터를 쓰는 프로세스
  • 조건 1 : 기록기가 공유자원에 데이터를 쓰는 중에는 다른 기록기나 판독기는 공유자원에 접근할 수 없음
    • 상호배제 필요
  • 조건 2 : 여러 판독기는 동시에 공유자원에서 데이터를 읽을 수 있음
• 제 1 판독기 - 기록기 문제
  • 판독기가 공유자원에 접근 중이라면 기록기보다 판독기에 우선순위를 주는 것
  • 기록기가 기아상태에 빠질 수 있음.
• 제 2 판독기 - 기록기 문제
  • 판독기가 공유자원에 접근 중일 때 대기 중인 기록기가 있다면, 새로운 판독기는 조건2에도 불구하고 대기함
  • 판독기의 병행성이 떨어짐
  • 판독기가 기아상태에 빠질 수 있음

5.2.2 세마포어를 이용한 해결

• 제1판독기-기록기 문제 : 2개의 세마포어와 하나의 일반 변수 이용
  • wrt : 세마포어. 기록기에 대한 상호배제 해결
    • 초깃값 = 0;
  • mutex : 세마포어. rcount에 대한 상호배제 해결
    • 초깃값 = 1;

기록기의 코드

P(wrt);
공유자원에 쓰기
V(wrt);

판독기의 코드

P(mutex);
rcount = rcount + 1;
if(rcount == 1) then P(wrt);
V(mutex);
공유자원에서 읽기
P(mutex);
rcount = rcount - 1;
if(rcount == 0) then V(wrt);
V(mutex);
}

• 제2판독기-기록기 문제 : 5개의 세마포어와 2개의 일반 변수 이용
  • wrt : 세마포어. 기록기에 대한 상호배제 해결
    • 초깃값 = 1
  • rcount : 일반 변수. 공유자원의 데이터를 읽는 중인 판독기의 개수
    • 초깃값 = 0
  • mutex1 : 세마포어. rcount에 대한 상호배제 해결
    • 초깃값 = 1
  • rd : 세마포어. 기록기가 대기 중일 때 새로운 판독기에 대한 상호배제 해결
    • 초깃값 = 1
  • wcount : 일반 변수. 공유자원에 데이터를 쓰거나 쓰기 위해 대기 중인 기록기의 개수
    • 초깃값 = 1
  • mutex2 : 세마포어. wcount에 대한 상호배제 해결
    • 초깃값 = 1
  • mutex3 : 세마포어. 기록기에 우선순위를 주기 위함
    • 초깃값 = 1

기록기의 코드

 P(mutex2);
 wcount = wcount + 1;
 if(wcount == 1) then P(rd);
 V(mutex2);
 P(wrt);
 공유자원에 쓰기
 V(wrt);
 P(mutex2);
 wcount = wcount - 1;
 if(wcount == 0) then v(rd);
 V(mutex2);

판독기의 코드

 P(mutex3);
 P(rd);
 P(mutex1);
 rcount = rcount + 1;
 if(rcount == 1) then P(wrt);
 V(mutex1);
 V(rd);
 V(mutex3);
 공유자원에서 읽기
 P(mutex1);
 rcount = rcount - 1;
 if(rcount == 0) then v(wrt);
 V(mutex1);

5.3 프로세스 간 통신

5.3.1 공유 메모리 방법

• 공유 메모리 방법
  • 협력 프로세스가 공유자원을 이용하는 동일한 변수를 사용함으로써 데이터를 공유하는 방법
    • 고속 통신 가능
    • 통신상 발생할 수 있는 문제는 응용 프로그래머가 책임지고 해결함
      • 통신상 발생할 수 있는 문제 : 상호배제 , 동기화 등
    • 운영체제는 공유 기억장소만 제공

5.3.2 메시지 전달방법

• 메시지 전달방법
  • 협력 프로세스가 메시지를 주고받으면서 데이터를 공유하는 방법
  • 커널이 제공하는 연산 send와 연산 receive 이용
  • 소량의 데이터를 주고받는 데 적합함
  • 통신상 발생할 수 있는 문제는 운영체제가 책임지고 해결함
• 통신 링크
  • 메시지를 주고받는 두 프로세스 사이에 존재함
  • 통신 링크의 성질
    • 하나의 링크는 오직 두 프로세스만 연결할 수도 있고 여럿 연결할 수도 있음
    • 두 프로세스 사이에 오직 하나의 링크만 존재할 수도 있고 여럿 존재 할 수도 있음
    • 링크의 방향성을 단방향일 수도 있고 양방향일 수도 있음
    • 링크의 용량은 여러 형태로 설정할 수 있음
• 직접통신
  • 두 프로세스가 직접 서로를 지정하여 메시지를 주고받는 방법
  • send(B,M) : 프로세스 B로 메시지 M을 보냄
  • receive(A,M) : 프로세스 A로부터 메시지를 M에 받음
    • 대칭형 주소 지정
  • receive(id,M) : 송신자 이름을 id에, 메시지를 M에 받음
    • 비대칭형 주소 지정
  • 두 프로세스 사이에 오직 하나의 통신 링크만 설정됨
  • 하나의 링크는 오직 두 프로세스 사이에만 연관됨
  • 통신 링크는 양방향
• 간접 통신
  • 통신을 원하는 프로세스들 사이에 우편함을 두고 이를 통해 메시지를 주고받는 방법
  • send(X,m1) : 우편함 X로 메시지 m1을 보냄
  • receive(X,m1) : 우편함 X로부터 메시지를 m1에 받음
  • 두 프로세스 사이에 여러 개의 통신 링크가 존재 가능
  • 하나의 링크는 여러 프로세스와 연관 가능
  • 우편함이 수신 프로세스에 소속된 경우
    • 수신자가 하나
    • 통신 링크는 단방향
  • 우편함이 운영체제에 소속된 경우
    • 수신자가 여럿 가능
    • 한순간에 하나의 수신자만 수신하도록 운영체제가 관리함
    • 송신자와 수신자의 역할이 바뀔 수 있으므로 통신 링크는 양방향

참고 문헌 : 김진욱·이인복. 운영체제 워크북. 한국방송통신대학교출판문화원, 2023.