6주차

[stemmmm]

• 동기화

[jihojivenchy]

독자 - 저자 문제에 대해 설명하세요.

• 읽기 작업과 쓰기 작업 간의 충돌을 어떻게 해결할 것인가에 대한 것입니다.

독자-저자 문제의 기본 개념

• 독자(reader): 데이터를 읽기만 하는 작업.
• 저자(writer): 데이터를 쓰기하는 작업.

핵심

• 여러 독자가 동시에 데이터를 읽는 것은 문제가 되지 않지만, 저자가 데이터를 쓰는 동안에는 다른 독자나 저자가 동시에 데이터를 읽거나 쓰면 데이터의 무결성이 훼손될 수 있습니다.
• 따라서 독자와 저자가 동시에 접근할 때, 동기화가 필요합니다.

문제 해결 방법

• 여러 독자가 동시에 데이터를 읽을 수 있지만, 저자가 데이터를 쓰는 동안에는 다른 독자나 저자가 접근할 수 없도록 해야 함

[우선순위가 없는 방식]

• 독자나 저자에게 우선순위를 부여하지 않고, 선착순대로 처리하는 방식
• 구현이 간단하다는 장점이 있음
• 여기서 여러 독자는 데이터를 동시에 읽을 수 있고, 저자가 쓰는 동안에는 다른 독자나 저자가 접근할 수 없음.
• 따라서 계속해서 독자가 데이터를 읽는 상황이 오면, 저자가 데이터를 쓰지 못하는 “저자 기아” 문제가 발생할 수 있음
• 독자 우선 방식이랑 별 차이가 없어보임

[저자 우선 방식]

• 말 그대로 저자에게 우선순위를 부여하여 처리하는 방식
• 독자 기아 문제가 발생할 수 있음

생산자 - 소비자 문제에 대해 설명하세요.

생산자

• 데이터를 생성하여 공유 버퍼에 넣는 역할

소비자

• 공유 버퍼에서 데이터를 꺼내 사용(소비)하는 역할

공유 버퍼

• 생산자가 생성한 데이터를 소비자가 사용할 수 있도록 임시로 저장하는 공간
• 생산자와 소비자가 동시에 데이터를 주고받는 상황에서 데이터 손실이나 충돌을 방지하기 위해 사용된다.

[필요한 이유]

• 생산자와 소비자가 데이터에 접근할 때, 충돌하지 않도록 임시로 데이터를 저장해주는 공간이 필요함.
• 예를 들어, 커피 전문점에서 픽업 테이블(공유 버퍼)이 없다고 가정함.
• 바리스타(생산자)는 커피를 만들어서 내보내야 함.
• 하지만 받아야 하는 소비자가 아직 도착하지 않았음.
• 이 때, 픽업 테이블(공유 버퍼)에 생산한 커피를 임시 저장해둔다면 문제가 발생하지 않음

생산자 - 소비자 문제

• 생산자가 데이터를 생성하여 공유 버퍼에 넣고, 소비자는 그 데이터를 꺼내 사용하는 과정에서 발생하는 동시성 문제
• 버퍼의 크기는 제한적임
  • 버퍼 오버플로우: 버퍼가 가득 찼을 경우, 생산자가 새로운 데이터를 추가하면, 기존 데이터가 제거되거나 새로운 데이터가 추가되지 않는 문제가 발생할 수 있음 → 생산자는 데이터가 비워지기 전까지 대기해야 함
  • 버퍼 언더플로우: 버퍼가 비어있을 경우, 소비자는 데이터를 소비할 수 없기 때문에 대기해야 함

웹 서버 예시

[생산자]

• 서버에서 클라이언트의 요청을 받는 스레드
• 클라이언트가 웹 페이지에 접속하거나 데이터를 요청할 때, 해당 요청을 대기큐에 넣는 역할

[소비자]

• 대기큐에 쌓여 있는 요청을 처리하는 스레드
• 클라이언트가 보낸 요청을 받아서 처리하는 역할

[대기큐]

• 생산자는 요청을 계속 대기큐에 넣고, 소비자는 대기큐에서 해당 요청을 꺼내 처리함
• 대기 큐는 공유 자원임.
• 따라서 생산 스레드, 소비 스레드가 동시에 접근하면 데이터 레이스가 발생할 수 있음
• 생산자가 대기큐에 요청을 넣으려고 하는데, 순간 소비자가 대기큐에서 요청을 꺼내면 불완전한 요청을 받을 수 있음
• 생산자나 소비자가 대기큐와 상호작용하면서 버퍼의 상태 관리도 같이 이루어지는데, 이 때, 상태 정보가 꼬일 수 있음

조건 동기화의 필요

• 특정 조건을 만족할 때만 접근할 수 있도록 하는 동기화
• 생산자 - 소비자 문제는 단순히 상호배제로 해결하는 것은 무리가 있음
• 생산자는 대기큐가 가득 차일 때 대기하고, 빈 공간이 생기면 데이터를 넣을 수 있도록 해야 함
• 소비자는 대기큐가 비어 있을 때 대기하고, 요청이 들어오면 데이터를 처리할 수 있도록 해야 함

코드 예시

let bufferCapacity = 5  // 버퍼의 용량
var buffer: [Int] = []

let semaphoreFull = DispatchSemaphore(value: 0)                // 소비자 대기 신호
let semaphoreEmpty = DispatchSemaphore(value: bufferCapacity)  // 생산자 대기 신호
let accessQueue = DispatchQueue(label: "bufferAccess")

func producer(item: Int) {
    // 버퍼에 빈 공간이 있는지 확인 (세마포어 감소)
    semaphoreEmpty.wait()

    // 버퍼에 데이터 추가하기
    accessQueue.sync {
        buffer.append(item)
    }

    // 소비자에게 버퍼에 데이터가 있음을 알림 (세마포어 증가)
    semaphoreFull.signal()
}

func consumer() {
    // 버퍼에 데이터가 있는지 확인
    semaphoreFull.wait()

    var item: Int?

    accessQueue.sync {
        item = buffer.removeFirst()
        print("소비 아이템 \(item)")
    }

    // 버퍼 카운트를 증가 -> 생산자가 저장할 공간이 늘어남
    semaphoreEmpty.signal()
}

DispatchQueue.global().async {
    for i in 1...10 {
        producer(item: i)
    }
}

DispatchQueue.global().async {
    for _ in 1...10 {
        consumer()
    }
}

• 생산 작업을 하기 위해서는 semaphoreEmpty 를 통해 버퍼에 자리가 있는지 확인
• 생산 작업이 완료되면 semaphoreFull 를 통해 버퍼에 사용가능한 데이터가 있음을 표시
• 소비 작업을 하기 위해서는 semaphoreFull 를 통해 버퍼에 사용할 데이터가 있는지 확인
• 소비 작업이 완료되면 semaphoreEmpty 를 통해 버퍼에 자리가 생겨남을 표시