[운영체제] 임계 구역 문제 란??

1. 임계 구역(Critical Section) 이란?

• 임계 구역: 여러 프로세스가 공유 데이터를 접근하는 코드 영역
• 각 프로세스는 자신만의 임계 구역을 가지고 있으며, 동시에 여러 프로세스가 이 구역을 실행하면 안 됨
• 반드시 **시간적으로 상호 배타적(Mutual Exclusive)**으로 실행되어야 함

🔁 프로세스 Pi의 구조

repeat
    entry section     // 진입: 임계 구역에 들어가기 위한 요청
    critical section  // 임계 구역
    exit section      // 종료: 임계 구역을 벗어났음을 알림
    remainder section // 나머지 코드
until false

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2. 임계 구역 문제의 세 가지 요구 조건

• 임계 구역 문제를 해결하기 위해서는 아래 세 가지 조건을 반드시 만족해야 함.

조건	설명
1. 상호 배제 (Mutual Exclusion)	한 번에 하나의 프로세스만 임계 구역에 들어갈 수 있어야 함
2. 진행 (Progress)	임계 구역에 아무도 없고 진입을 원하는 프로세스가 있을 경우, 이들 중 하나가 반드시 들어가야 함 (무한정 대기 금지)
3. 한계 대기 (Bounded Waiting)	어떤 프로세스도 무한히 기다리게 해서는 안 됨. 즉, 유한한 횟수 안에 임계 구역에 들어가야 함

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3. 임계 구역 해결 기법

1) 피터슨(Peterson) 알고리즘

• 두 개의 프로세스만 허용되는 상황에서 사용
• flag[]: 임계 구역에 들어갈 준비 상태 표시
• turn: 누가 다음 차례인지 명시

// Pi의 코드
do {
    flag[i] = true;
    turn = j;
    while (flag[j] && turn == j); // 대기
    // 임계 구역
    flag[i] = false;
    // 잔류 구역
} while (true);

• 특징: 단순한 공유 변수만으로 동기화를 구현하며, 세 가지 요구 조건 모두 만족

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2) 세마포어(Semaphore)

• 정수 변수 S와 두 개의 원자적 연산으로 구성됨
• 연산 종류:
  • wait(S) 또는 P(S)
  • signal(S) 또는 V(S)

wait(S) {
    while (S <= 0); // 대기
    S--;
}

signal(S) {
    S++;
}

 

세마포어 종류

종류	설명
Binary 세마포어 (Mutex)	0 또는 1만 가짐. 상호 배제를 위한 간단한 락으로 사용
Counting 세마포어	0 이상 정수 사용. 동시에 N개의 프로세스가 접근 가능

예시: 공유 자원 접근 보호

Semaphore s = 1;

wait(s);
// 임계 구역
signal(s);

• ⚠️ 세마포어 문제점: 교착 상태(Deadlock) 발생 가능

// P0
wait(S);
wait(Q);
// ...
signal(S);
signal(Q);

// P1
wait(Q);
wait(S);
// ...
signal(Q);
signal(S);

• 이와 같이 서로 자원을 점유한 채 상대방의 signal을 기다리면 무한 대기가 발생

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3) 모니터(Monitor)

• 고급 언어 수준에서 제공되는 동기화 기법
• 클래스와 유사한 구조지만, 한 번에 하나의 프로세스만 진입 가능
• 프로그래머가 직접 락(lock)을 관리할 필요 없음

문법 예시

monitor MonitorName {
    shared variables

    procedure P1(...) { ... }
    procedure P2(...) { ... }

    Initialization code { ... }
}

• 장점: 코드의 안전성과 가독성이 높으며, 병행 제어를 자동으로 처리해줌