Synchronization

다중 프로그래밍 환경에서 여러 프로세스나 스레드가 제한된 자원을 공유하며 실행될 때, 데이터의 일관성을 유지하고 실행 순서를 제어하는 메커니즘이다.

동기화의 핵심 목적

동기화는 크게 두 가지 관점에서 실행 흐름을 제어한다.

• 실행 순서 제어: 프로세스들이 올바른 순서대로 실행되도록 조정 (예: Reader 프로세스는 Writer 프로세스가 데이터를 다 쓴 후 작업)
• 상호 배제 (Mutual Exclusion): 동시에 접근해서는 안 되는 공유 자원에 대해 한 번에 하나의 프로세스만 접근하도록 통제

공유 자원과 임계 구역 (Critical Section)

• 공유 자원 (Shared Resource): 여러 프로세스가 공동으로 이용하는 변수, 메모리, 파일 등의 자원
• 임계 구역 (Critical Section): 공유 자원에 접근하는 코드 영역으로, 두 개 이상의 프로세스가 동시에 실행하면 안 되는 구역
• 경쟁 상태 (Race Condition): 여러 프로세스가 동기화 없이 임계 구역에 동시 접근하여, 자원의 최종 값이 실행 순서 (타이밍)에 따라 달라지는 문제 상황

임계 구역 문제 해결의 3가지 조건

운영체제가 임계 구역 문제를 해결하고 데이터 일관성을 보장하기 위해서는 다음 세 가지 조건이 반드시 충족되어야 한다.

1. 상호 배제 (Mutual Exclusion): 한 프로세스가 임계 구역에서 실행 중이면, 다른 어떤 프로세스도 해당 구역에 진입할 수 없음
2. 진행 (Progress): 임계 구역이 비어있고 진입하려는 프로세스가 있다면, 잔류 중인 프로세스가 없는 한 즉시 진입 허용 (데드락 방지)
3. 유한 대기 (Bounded Waiting): 프로세스가 임계 구역 진입 요청을 한 후부터 승인될 때까지 다른 프로세스들이 진입 횟수 제한 (기아 현상 방지)

flowchart LR
    Start([프로세스 시작]) --> EntrySection[진입 구역: 잠금 시도]
    EntrySection --> CriticalSection[임계 구역: 공유 자원 사용]
    CriticalSection --> ExitSection[퇴출 구역: 잠금 해제]
    ExitSection --> RemainderSection[나머지 구역]
    RemainderSection --> Start

동기화 기법

운영체제에서는 프로세스 및 스레드 동기화를 위해 다양한 기법을 제공한다.

1. 락 (Lock)과 스핀락 (Spinlock)

가장 기초적인 동기화 도구로, 공유 자원에 한 번에 하나의 스레드만 진입하도록 문을 잠그는 (Lock) 방식이다.

• 락이 잠겨 있으면 락이 풀릴 때까지 스레드가 CPU를 점유한 채 반복문 (루프)을 돌며 무한정 대기 (Busy Waiting)
• 컨텍스트 스위칭 (Context Switching) 비용이 발생하지 않음
• 락을 기다리는 동안 CPU 사이클을 의미 없이 낭비하게 됨

2. 뮤텍스 (Mutex)

스핀락의 CPU 낭비 단점을 보완하여, 대기 큐 (Wait Queue)와 수면 상태 (Sleep)를 활용하는 동기화 기법이다.

• 락을 획득하지 못한 스레드는 루프를 돌지 않고 대기 상태 (Sleep)로 전환되어 CPU 제어권을 양보
• 자원 사용이 끝난 스레드가 락을 해제 (Unlock)하며 대기 중인 스레드를 깨워줌 (Wakeup)
• 상호 배제 (Mutual Exclusion)를 보장하며 단일 자원 관리에 특화됨
• 반드시 락을 획득한 (소유권이 있는) 스레드만이 락을 해제할 수 있음

3. 세마포어 (Semaphore)

단일 자원 잠금을 넘어, 다수의 자원 관리 및 실행 순서 제어 (Signaling)까지 가능한 범용 동기화 기법이다.

• 내부적으로 가용한 자원의 개수 (정수 변수)를 추적함
• P(Wait) 연산: 자원을 요청하여 카운트를 1 감소시킴 (0이면 대기 큐로 이동해 Sleep 상태로 전환)
• V(Signal) 연산: 자원 사용을 마치고 카운트를 1 증가시키며 대기 중인 스레드를 깨움
• 다수의 스레드가 제한된 수량의 자원에 접근할 수 있도록 허용함 (카운팅 세마포어)

기법 간 차이점 및 적용 방법 (트레이드오프)

스레드를 직접 구현할 때는 임계 구역의 길이와 작업 목적에 따라 적절한 도구를 선택해야 한다.

스핀락 vs 뮤텍스 (대기 방식의 트레이드오프)

• 스핀락을 적용하는 경우
  • 임계 구역에서의 작업이 매우 짧아, 락을 기다리며 도는 시간 (Busy Waiting)이 스레드를 재우고 깨우는 컨텍스트 스위칭 비용보다 적을 때 유리
  • 주로 운영체제 커널 내부의 짧은 인터럽트 처리 등 제한적인 환경에서 사용
• 뮤텍스를 적용하는 경우
  • 임계 구역에서의 작업이 길거나 (I/O 작업 등) 언제 끝날지 예측하기 어려워, 다른 스레드에게 CPU를 양보하는 것이 효율적일 때 적용
  • 일반적인 애플리케이션 레벨의 다중 스레드 프로그래밍에서 기본적으로 사용

뮤텍스 vs 세마포어 (사용 목적의 차이)

두 기법 모두 대기 큐를 사용하지만, 소유권과 관리 범위에서 결정적인 차이가 있다.

특징	뮤텍스(Mutex)	세마포(Semaphore)
소유권	락을 획득한 스레드만 락 해제 가능	소유권이 없으며 누구나 해제 가능
관리 범위	단일 자원 관리	다수의 자원 관리 가능
사용 목적	상호 배제 (Locking)	접근 제어 및 실행 순서 제어 (Signaling)

• 뮤텍스의 적용 (Locking): 하나의 변수나 파일에 접근할 때 데이터 오염을 막기 위해 꽉 쥐고 (잠금) 놓아주는 (해제) 순수 상호 배제 목적으로 사용
• 세마포어의 적용 (Signaling): 자원 관리뿐만 아니라, 스레드 간 실행 순서를 맞추는 신호기 역할을 할 때 사용

참고자료

• 혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제