운영체제 ) 임계영역과 임계 영역을 해결하기 위한 방법에 대해 작성하시오

본 내용은 " 운영체제 ) 임계영역과 임계 영역을 해결하기 위한 방법에 대해 작성하시오 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2024.07.31

문서 내 토픽

• 1. 임계 영역(Critical Section)

  임계 영역이란 임계 자원을 프로그램에서 이용하는 데 있어 공유 메모리가 참조되는 프로그램의 부분으로 한순간에 하나의 프로세스만 사용할 수 있는 영역을 의미한다. 쉽게 말해 공유자원이 함께 있어 교착상태(dead lock)가 발생할 수 있는 영역을 뜻한다. 동시에 접근해 교착상태가 생기지 않도록 각 프로세스의 독점을 보장해 줘야 한다.

• 2. 소프트웨어적 해결 방법

  Lock을 이용한 소프트웨어적 해결 방법에는 상호배제(뮤텍스), 제한된 대기, 진행 등이 있다. 상호배제는 한 프로세스가 임계 영역에 진입했을 때 다른 프로세스는 진입할 수 없게 하는 프로토콜이다. 제한된 대기는 한 프로세스가 임계영역을 요청한 후 요청이 수락되기까지 다른 프로세스가 임계 영역에 진입할 수 있는 횟수를 제한하는 것이다. 진행은 임계영역에 진입해 있는 프로세스가 없는 상태에서 여러 개의 프로세스가 대기 중일 때 프로세스 선정 알고리즘에 따라 임계영역에서 수행할 대상을 선정하는 것이다.

• 3. 데커 알고리즘

  데커 알고리즘은 하드웨어의 도움 없이 프로세스 두 개의 상호배제 문제를 해결할 수 있다. 프로세스는 우선 Lock을 true로 변경한 후 다른 프로세스의 Lock 상태를 확인하고, 다른 프로세스의 Lock이 true일 경우 선후를 확인 후 임계 영역에 진입하거나 대기하면 된다. 임계 영역 문제 해결 요건을 모두 만족하지만, 알고리즘이 매우 복잡해 매번 이렇게 설정할 수 없다는 단점이 있다.

• 4. 하드웨어적 해결 방법

  하드웨어적 해결 방법에는 Swap()과 testandset() 명령어가 있다. Swap()은 두 워드의 내용을 서로 교환할 수 있는 명령어로 원자적으로 처리된다. testandset()은 논리변수를 읽어 복사하고 변수를 참으로 하는 명령어로 단일 프로세서 혹은 메모리를 공유하는 다중 처리 환경과 관계없이 적용된다.

• 5. 세마포어

  세마포어는 P, V 변수를 통해 wait, signal을 관리한다. P와 V 연산은 세마포어를 인자로 명명한 임의의 프로세스가 요청한 시스템을 호출함으로써 운영체제에 의해 실행된다. 프로세스 1이 임계 영역 진입 전에 Lock을 true로 놓고 진입하면 이후에 도착하는 프로세스 2는 프로세스 1이 수행을 마칠 때까지 대기하게 되는데 세마포어는 프로세스 1이 작업을 마치면 프로세스 2에 임계 영역을 사용하라는 동기화 신호를 보낸다.

• 6. 모니터

  모니터는 프로그래밍 언어에서 제공되는 프로그래머 정의 연산자들의 집합이다. 공유자원 사용 시 세마포어 알고리즘을 따른다. 공유자원을 숨기고 인터페이스만 제공해 자원을 보호하며 동기화 시킨다. 임계 영역에 진입하려는 프로세스는 직접 모니터에 수행을 요청하고 모니터는 프로세스들의 요청을 큐에 저장한 후 순차적으로 처리해 결과만 해당 프로세스에 알려준다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 임계 영역(Critical Section)

  임계 영역은 여러 프로세스가 공유하는 자원에 대한 접근을 제어하는 중요한 개념입니다. 임계 영역에 대한 접근은 상호 배제(Mutual Exclusion)를 보장해야 하며, 이를 위해 다양한 소프트웨어적 및 하드웨어적 해결 방법이 제안되었습니다. 임계 영역 문제를 해결하는 것은 병렬 프로그래밍에서 매우 중요한 과제이며, 데커 알고리즘, 세마포어, 모니터 등의 기법이 널리 사용되고 있습니다. 이러한 기법들은 각각의 장단점을 가지고 있으며, 상황에 따라 적절한 기법을 선택하는 것이 중요합니다.

• 2. 소프트웨어적 해결 방법

  소프트웨어적 해결 방법은 임계 영역 문제를 해결하기 위한 다양한 접근 방식을 제공합니다. 이러한 방법에는 데커 알고리즘, 세마포어, 모니터 등이 포함됩니다. 데커 알고리즘은 상호 배제와 진행 보장을 제공하지만, 복잡성이 높은 편입니다. 세마포어는 자원 할당을 제어하는 간단한 메커니즘을 제공하지만, 교착 상태(Deadlock) 문제가 발생할 수 있습니다. 모니터는 데이터 추상화와 동기화를 제공하는 강력한 도구이지만, 구현이 복잡할 수 있습니다. 이러한 소프트웨어적 해결 방법은 각각의 장단점을 가지고 있으며, 상황에 따라 적절한 기법을 선택하는 것이 중요합니다.

• 3. 데커 알고리즘

  데커 알고리즘은 임계 영역 문제를 해결하기 위한 대표적인 소프트웨어적 해결 방법 중 하나입니다. 이 알고리즘은 상호 배제와 진행 보장을 제공하며, 프로세스 간 공정성을 보장합니다. 데커 알고리즘은 복잡한 편이지만, 정확성과 효율성이 높은 편입니다. 이 알고리즘은 병렬 프로그래밍에서 널리 사용되며, 운영 체제 및 분산 시스템 설계에서 중요한 역할을 합니다. 데커 알고리즘의 구현과 분석은 병렬 프로그래밍 분야에서 중요한 연구 주제 중 하나입니다.

• 4. 하드웨어적 해결 방법

  하드웨어적 해결 방법은 임계 영역 문제를 해결하기 위한 또 다른 접근 방식입니다. 이러한 방법에는 원자적 연산(Atomic Operations), 메모리 장벽(Memory Barrier), 캐시 일관성 프로토콜(Cache Coherence Protocol) 등이 포함됩니다. 하드웨어적 해결 방법은 소프트웨어적 해결 방법에 비해 성능이 우수하지만, 하드웨어 설계의 복잡성이 증가할 수 있습니다. 또한 하드웨어적 해결 방법은 특정 하드웨어 아키텍처에 의존적이므로, 이식성이 낮은 편입니다. 따라서 임계 영역 문제를 해결하기 위해서는 소프트웨어적 및 하드웨어적 해결 방법을 적절히 조합하는 것이 중요합니다.

• 5. 세마포어

  세마포어는 임계 영역 문제를 해결하기 위한 대표적인 소프트웨어적 기법 중 하나입니다. 세마포어는 자원 할당을 제어하는 간단한 메커니즘을 제공하며, 상호 배제와 동기화를 보장합니다. 세마포어는 구현이 비교적 간단하지만, 교착 상태 문제가 발생할 수 있다는 단점이 있습니다. 이러한 단점을 극복하기 위해 다양한 세마포어 변형 기법이 제안되었습니다. 세마포어는 운영 체제, 분산 시스템, 실시간 시스템 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

• 6. 모니터

  모니터는 임계 영역 문제를 해결하기 위한 또 다른 소프트웨어적 기법입니다. 모니터는 데이터 추상화와 동기화를 제공하는 강력한 도구로, 상호 배제와 진행 보장을 보장합니다. 모니터는 세마포어에 비해 구현이 복잡하지만, 교착 상태 문제를 해결할 수 있습니다. 모니터는 운영 체제, 분산 시스템, 객체 지향 프로그래밍 등 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. 모니터의 설계와 구현은 병렬 프로그래밍 분야에서 중요한 연구 주제 중 하나입니다.