[운영체제] 프로세스의 동기화( 생산자 - 소비자 )란?

1. 프로세스 동기화란?

동기화(Synchronization)는 병행(Concurrent) 프로세스들이 공유 자원을 사용할 때, **데이터의 일관성(Data Consistency)**을 유지하도록 접근을 순서화하는 기술

 

왜 필요할까?

• 두 개 이상의 프로세스가 동시에 실행되며 같은 데이터를 공유할 때,
• 적절한 제어 없이 데이터를 동시에 변경하면, 오류나 충돌이 발생!!

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2. 대표 예시: 생산자-소비자 문제

1) 개요

• 두 개의 프로세스: **생산자(Producer)**와 **소비자(Consumer)**가 존재
• **공유 버퍼(Buffer)**를 통해 데이터를 주고받음

역할	설명
생산자	데이터를 생성해서 버퍼에 저장
소비자	버퍼에서 데이터를 꺼내서 소비

2) 버퍼 상태에 따른 동기화 필요

• 버퍼가 가득 차면, 생산자는 기다려야 함
• 버퍼가 비어 있으면, 소비자는 기다려야 함

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3. 변수 정의 및 기본 구조

1) 생산자 프로세스

while (1) 
{
 /* produce an item and put in nextProduced */
 while (counter == BUFFER_SIZE)
 ; 
// do nothing
 buffer [in] = nextProduced;
 in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
 counter++;
 }

 

2) 소비자 프로세스

while (1) 
{
 while (counter == 0)
 ; 
// do nothing
 nextConsumed =  buffer[out];
 out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
 counter--;
 /*  consume the item in nextConsumed
 }

 

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4. 데이터 일관성 문제: Race Condition

counter++; // 생산자가 아이템 추가 시 counter--; 
// 소비자가 아이템 제거 시, 서로 동시에 접근하면 일관성이 깨짐
// 왜냐하면 이 연산들은 실제로는 다음과 같은 기계어 수준의 여러 단계로 수행되기 때문

 

1) counter++ 실행 흐름

register1 := counter 
register1 := register1 + 1 
counter := register1

 

 

2) counter-- 실행 흐름

register2 := counter 
register2 := register2 - 1 
counter := register2

 

3) 문제 발생 예시 (context switch)

시간	작업	설명
T0	producer: register1 := counter	register1 = 5(처음 counter 값이 5임)
T1	producer: register1 + 1	register1 = 6
T2	consumer: register2 := counter	register2 = 5(생산자 프로세스가 끝나기 전에 인터럽트로 인해, 소비자 프로세스가 실행됨.)
T3	consumer: register2 - 1	register2 = 4
T4	producer: counter := register1	counter = 6
T5	consumer: counter := register2	❗ counter = 4 (오류 발생!)

• T0,T1 에서의 register의 변경된 값을 producer가 counter에 반영하기 전에, consumer가 counter의 값을 가져다가 사용해서 문제가 발생함.

결과적으로 counter는 5에서 6 → 4로 두 번 변했지만 실제 반영된 값은 4 → 데이터 손실 발생