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동시성(Concurrency)의 개념

현대 운영체제에서는 동시에 여러 프로세스나 스레드가 실행되는 환경이 일반적이다. CPU가 하나라도 시분할 시스템을 통해 여러 작업이 마치 동시에 실행되는 것처럼 보이게 할 수 있으며, 멀티코어 환경에서는 실제로 여러 스레드가 물리적으로 동시에 실행되기도 한다.

이런 동시성 환경에서 여러 스레드가 같은 메모리 영역이나 공유 자원에 동시 접근하면 예측 불가능한 결과가 발생할 수 있다. 이런 문제가 바로 경쟁 조건(Race Condition) 이다.

경쟁 조건(Race Condition)​

두 개 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 접근할 때, 접근 순서나 시점에 따라 결과가 달라지는 상황을 경쟁 조건이라 한다. 예를 들어, 은행 계좌 잔고를 갱신하는 두 개의 스레드가 동시에 작동할 때, 한 스레드의 업데이트가 다른 스레드의 업데이트와 충돌하면 잘못된 최종 잔고가 기록될 수 있다.

경쟁 조건을 제거하기 위해서는 접근 순서를 적절히 제어하는 동기화(Synchronization) 메커니즘이 필요하다.

임계구역(Critical Section) 문제​

여러 스레드가 동시에 접근하면 안 되는 코드 영역을 임계구역이라 한다. 임계구역 문제의 해결책은 다음 세 가지 조건을 만족하는 프로토콜을 디자인하는 것이다.

  1. 상호 배제(Mutual Exclusion): 한 번에 하나의 스레드만 임계구역에 들어갈 수 있어야 한다.
  2. 진행(Progress): 임계구역에 들어가려는 스레드가 없으면, 임계구역 진입을 무한정 지연하지 않아야 한다.
  3. 한정 대기(Bounded Waiting): 특정 스레드가 임계구역 진입을 너무 오래 대기하지 않도록 보장해야 한다.

이러한 조건을 만족하기 위해 다양한 동기화 도구가 개발되었다.

2. 동기화 기법​

락(Lock)과 뮤텍스(Mutex)​

뮤텍스(Mutex) 는 상호 배제를 위한 가장 기본적인 도구이다. 뮤텍스는 오직 하나의 스레드만 소유할 수 있는 잠금(락)을 제공하고, 다른 스레드는 이미 누군가가 뮤텍스를 획득한 경우 대기하게 된다. 뮤텍스를 사용하면 동시에 공유 자원에 접근하는 스레드를 하나로 제한할 수 있다.

  • 획득(Acquire): 잠겨있지 않은 뮤텍스를 얻으면 해당 스레드는 임계구역에 들어갈 수 있다.
  • 해제(Release): 임계구역을 다 쓴 후 뮤텍스를 해제하면 다른 대기 중인 스레드가 접근할 수 있다.

세마포어(Semaphore)​

세마포어(Semaphore) 는 정수형 카운터를 통해 접근 가능한 자원의 개수를 제어하는 동기화 도구다. 뮤텍스는 이진(0 또는 1) 형태로 동작하는 세마포어로 볼 수 있다. 세마포어는 프로세스나 스레드가 P(또는 wait) 연산을 통해 자원 획득을 시도하고, V(또는 signal) 연산을 통해 자원을 반환한다.

  • 카운팅 세마포어: N개의 자원이 있을 때, 0 이상 N 이하의 값을 갖는다.
  • 이진 세마포어(뮤텍스): 값이 0 또는 1만 가능하며, 뮤텍스 용도로 사용.

모니터(Monitor)​

모니터(Monitor) 는 동기화 문제를 추상화한 고급 언어 차원의 동기화 메커니즘이다. 모니터 내에서만 접근 가능한 공유 자원과 함수를 정의하고, 진입 시 자동으로 상호 배제가 보장되도록 언어 차원에서 제공한다. 모니터는 조건변수(Condition Variable)를 통해 스레드 간 신호 전달도 지원한다.

조건변수(Condition Variable)​

모니터 내부에서 사용되는 조건변수는 특정 조건을 만족할 때까지 스레드를 대기시켰다가, 조건을 만족하면 대기 중인 스레드에게 신호를 보내 재개하는 기법을 제공한다. wait() 연산으로 조건이 충족될 때까지 스레드를 재우고, signal() 연산으로 조건을 만족시켜 대기 스레드를 깨운다.

3. 데드락(Deadlock)​

데드락의 정의​

**데드락(Deadlock)**은 두 개 이상의 프로세스나 스레드가 서로가 가진 자원을 기다리며 무한정 대기하는 상황이다. 결과적으로 시스템은 교착 상태에 빠져 어떤 것도 전진하지 못하게 된다.

데드락 발생 조건 (Coffman’s Condition)​

데드락이 발생하기 위해서는 다음 네 가지 조건이 동시에 만족해야 한다.

  1. 상호 배제(Mutual Exclusion): 자원은 한 번에 한 프로세스만 사용할 수 있어야 한다.
  2. 점유 대기(Hold and Wait): 최소 한 개 이상의 자원을 점유한 상태에서 다른 자원을 추가로 기다린다.
  3. 비선점(Non-Preemption): 자원을 점유한 프로세스가 그 자원을 강제로 빼앗기지 않는다.
  4. 순환 대기(Circular Wait): 프로세스들이 자원을 서로 순환 형태로 기다린다. 예를 들어 A는 B가 가진 자원을 기다리고, B는 C가 가진 자원을 기다리며, C는 다시 A가 가진 자원을 기다리는 순환 고리가 형성된다.

이 조건들 중 하나라도 깨뜨리면 데드락은 발생하지 않는다.

데드락 처리 기법​

데드락을 처리하기 위한 전통적인 방법은 다음과 같다.

  1. 데드락 예방(Prevention): 데드락 발생 조건 중 하나를 아예 사전에 없애버린다. 예를 들어, 자원을 요청할 때마다 한 번에 모두 요구하게 하거나, 항상 특정 순서에 따라 자원을 획득하도록 하여 순환대기를 막는다.

  2. 데드락 회피(Avoidance): 프로세스들이 자원을 요청할 때, 시스템은 데드락에 빠지지 않는 안전 상태(Safe State)인지 검증한 뒤 자원을 할당한다. Banker's Algorithm과 같은 알고리즘을 통해 데드락을 회피할 수 있다.

  3. 데드락 탐지(Detection) 와 회복(Recovery): 데드락을 허용한 뒤, 주기적으로 데드락이 발생했는지 검사하고, 데드락 상태를 확인하면 프로세스 중 일부를 중단하거나 자원을 강제 회수하여 회복한다.

  4. 무시(Ignore): 일부 시스템(예: 데스크톱 OS)은 데드락이 매우 드물게 발생한다고 가정하고, 발생 시 사용자가 강제 종료하는 식으로 무시하기도 한다.

4. 요약​

  • 동시성은 현대 운영체제에서 필수적이지만, 경쟁 조건을 야기한다.
  • 임계구역 문제 해결을 위해 뮤텍스, 세마포어, 모니터 등 다양한 동기화 도구를 활용한다.
  • 데드락은 자원 대기 상태가 순환 구조를 이루며 발생하는 문제로, 예방, 회피, 탐지 및 회복 전략을 통해 다룰 수 있다.