[운영체제] 임계 영역(Critical Section)과 경쟁 상태(Race Condition)

임계 영역(Critical Section)

• 둘 이상의 프로세스 또는 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라질 수 있는 코드 영역
• 한 번에 하나의 프로세스나 스레드만 접근할 수 있는 코드 영역
• 한 프로세스가 critical section에 접근하고자 했지만 다른 프로세스가 이미 해당 영역에서 작업을 하고 있다면 entry section에서 대기하고 있다가 exit section으로부터 작업 종료 신호를 받으면 critical section에 진입하도록 동기화 필요
• 상호 배제(Mutual Exclusion): 한 프로세스가 임계 영역에서 작업 중이라면 다른 프로세스가 접근하지 못하도록 통제가 필요함
• 진행(Progress): 아무도 임계 영역에 진입하지 못하면 안되며 아무도 임계영역에 있지 않다면 진입하고자 하는 프로세스를 진입시켜야함
• 유한 대기(Bounded Waiting): 프로세스가 임계 영역에 진입하기 위해 무한정으로 기다리는 기아 현상(Starvation)이 발생해서는 안됨

 

※ 코드 영역

• entry section
  • critical section에 진입하기 위해 집입 허가를 요청하는 영역
  • 접근 제어(lock)
• critical section
  • 하나의 프로세스나 스레드만 접근할 수 있는 영역
• exit section
  • 제어(lock)을 해제하는 등 더 이상 임계 구역에 머무르지 않음을 알리는 영역
• remainder section
  • entry, critical, exit을 제외한 나머지 코드 부분 영역

 

 

경쟁 상태(Race Condition)

• 임계 영역에 두 개 이상의 프로세스/스레드가 접근했을 때 발생할 수 있는 문제
• 임계 영역 내에서 두 개 이상의 프로세스/스레드가 공유 자원(Shared Resource)를 동시에 변경할 경우 실행 순서에 따라 결과가 달라짐 (일관성 저하)

💡공유 자원(Shared Resource)란?
시스템 안에서 각 프로세스나 스레드가 함께 접근해서 사용할 수 있는 모니터, 프린터, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수

Ex) 두 개의 스레드가 전역 변수의 값을 1씩 증가

1. Tread 1: read value -> 0
2. Tread 2: read value -> 0
3. Tread 1: increase value -> 1
4. Tread 2: increase value -> 1 (일반적으로 두 번 증가시켰으므로 2가 되어야 하지만 위의 순서로 실행될 경우 값이 1로 변경)

 

경쟁 상태가 발생하는 경우

• 커널 작업을 수행하는 중에 인터럽트가 발생했을 때
  • 문제상황: 커널모드에서 데이터를 로드하여 작업을 수행하다가 인터럽트가 발생하여 같은 데이터를 조작하는 경우
  • 해결법: 커널모드에서 작업을 수행하는 동안 인터럽트를 disable 시켜 CPU 제어권을 가져가지 못하도록 함
• 프로세스가 시스템 콜을 통해 커널모드로 진입하여 작업을 수행하는 도중 문맥 교환이 발생했을 때
  • 문제상황: 프로세스1이 커널모드에서 데이터를 조작하다가 할당 시간이 초과되어 CPU 제어권이 프로세스2로 넘어가 같은 데이터를 조작하는 경우
  • 해결법: 프로세스가 커널모드에서 작업하는 경우 할당 시간이 초과되어도 문맥 교환을 하지 않도록 함
• 멀티 프로세서 환경에서 공유 메모리 내의 커널 데이터에 접근할 때
  • 문제상황: 2개의 CPU가 동시에 커널 내부의 공유 데이터에 접근하여 조작하는 경우
  • 해결법: 커널 내부에 있는 각 공유 데이터에 접근할 때마다 해당 데이터에 대해 Lock/Unlock을 함

 

※ 경쟁 상태를 해결하는 방법(뮤텍스, 세마포어)은 다음 포스팅에서 작성하겠다.

 

 

💡참고

• https://alswhddl10.tistory.com/
• https://gyoogle.dev/blog/computer-science/operating-system/Race%20Condition.html
• https://sete3683.tistory.com/m/60 
• https://velog.io/@klloo/%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C-%EA%B2%BD%EC%9F%81-%EC%83%81%ED%83%9C-Race-Condition