Synchronization 동기화를 위한 여러 전략과 차이

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동기화를 위한 여러 전략과 차이

• Race Condition

  • 여러 프로세스/스레드가 동시에 같은 데이터를 조작할 때 , 접근 타이밍과 순서에 따라 결과가 달라질 수 있는 상황

• Synchronization : 동기화

  • 여러 프로세스/스레드를 동시에 실행해도 공유 데이터의 일관성을 유지하는 것

• Critical Section : 임계 영역

  • 공유 데이터의 일관성을 보장하기 위해 하나의 프로세스/스레드만 진입해서 실행 가능한 영역

    하나의 프로세스/스레드만 진입하는 것 = mutual exclusion

mutual exclusion 을 보장하기 위해 Lock 을 사용한다.

1. SpinLock

Lock을 가질 수 있을 때까지 반복문을 진행하는 방법

• CPU atomic 명령어인 TestAndSet을 사용하므로
  • 같은 메모리 영역에 대해 동시에 실행되지 않는다.

    CPU 레벨에서 먼저 실행되는 프로세스/스레드를 정한다.

• CPU 사용량 낭비가 심하다는 단점

2. Mutex

Lock 을 가질 수 있을 때까지 휴식을 취하는 방법

SpinLock이 가지는 CPU 낭비의 단점을 개선하기 위한 방법

• Queue 를 활용해 락을 가지려는 프로세스/스레드의 대기 상태를 만든다.
• Mutex의 변수 value , guard
• value ( 1 or 0 ) : value를 취득해야만 critical section에 접근 가능한 것
• guard : value라는 값 자체도 여러 스레드/프로세스가 가지려는 공유 자원
• value 값 자체의 변화도 보호를 받으면서 변경되어야하는 변수 즉, guard 를 얻고 value 값을 변해야한다. Mutex에서도 atomic 한 명령어 TestAnd Set을 사용한다.

2-1. SpinLock 보다 항상 Mutex 가 좋은가?

• SpinLock 이 더 좋은 경우
  • 멀티코어 환경이며 : 싱클 코어에서는 spinlock이 이점이 전혀 없다.
  • critical section에서의 작업이 context switching 보다 더 빨리 끝난다면

프로세스/스레드를 잠들게하고 깨우는 과정에서 context switching 이 발생한다.

3. Semaphore

Signal Mechanism을 가진 하나 이상의 프로세스/스레드가 critical section에 접근하는 방법

• Semaphore 의 변수 value, guard
  • value ( 1 ~ )
  • guard

세마포는 프로세스/스레드의 순서를 정해줄 때 사용할 수 있다.

• wait 와 signal 이 반드시 같은 프로세스 내에서 실행되지 않아도되기 때문에 순서를 정해줄 수 있다.

3-1. Mutex와 Binary Semaphore?

• Mutex는 Lock을 가진 프로세스/스레드만 Lock을 해제할 수 있지만
• Semaphore 는 그렇지 않다.
  • wait 와 signal을 실행하는 프로세스가 다를 수 있다!!!!

Mutex는 Priority Inheritance 속성을 가지지만, Semaphore 는 그 속성이 없다.

• Priority Inheritance?

  • 여러 프로세스/스레드가 동시에 실행하게 되면 CPU 에서 Context Switching이 발생해서
  • 어떤 작업을 먼저 실행시킬지 Scheduling을 하게 된다.
    • 우선순위가 높은 작업 먼저 실행시키는 Scheduling 방법이 있는데,
      1. 우선순위가 낮은 작업이 먼저 실행되고 있는 상태에서 우선순위가 높은 작업이 들어오면
      2. Lock 을 우선순위가 낮은 작업이 갖고 있기 때문에 의존성이 발생한다.

• Mutex 는 우선순위가 낮은 작업을 우선순위를 높여줘서 빠르게 Lock을 반환할 수 있도록 한다.

3-2. 언제 Mutex ? Semaphore ?

• Mutual exclusion 만 필요하다면 Mutex 를 사용하고
• 작업간의 실행 순서 동기화가 필요하다면 Semaphore 를 권장한다.

Reference

https://www.youtube.com/watch?v=gTkvX2Awj6g