병행 프로세스의 개념

병행성

• 병행성(concurrency)

  • 여러 개의 프로세스 또는 쓰레드가 동시에 실행되는 시스템의 특성

• 병향 프로세스: 동시에 실행되는 여러 개의 프로세스 또는 쓰레드

병행 프로세스의 실행 형태

• CPU의 개수에 따른 병행 프로세스의 실행 형태
  • 하나의 CPU에서 인터리빙 형식으로 실행
  • 여러 개의 CPU에서 병렬 처리 형식을 실행

병행 프로세스의 실행 형태 - 여러 개의 CPU

• 메모리 구조에 따른 병행 프로세스의 실행 형태
  • 강결합 멀티프로세서 시스템
    • 공유 메모리 구조
  • 약결합 멀티프로세서 시스템
    • 분산 메모리 구조

병행성 문제

• 병행 프로세스들이 상호작용 하는 경우 발생

  • 공유자원 점유 문제
  • 동기화 문제
  • 통신 문제

• 상황에 따른 구분

  • 단일 프로세스 내의 병행성
  • 프로세스 간의 병행성

단일 프로세스 내의 병행성

• 우선순위 그래프

  • 장점: 문장
  • 방향 있는 간선: 우선순위 관계

• Fork/Join 구조

  • fork L: 2개의 병행 수행을 만듦(레이블 L 위치, fork 명령어 다름)
  • join n: 병행하는 n개의 흐름을 하나로 재결합

• 병행문

  • i개의 프로세스가 여러 가닥의 병렬 프로세스로 분할되었다가 다시 하나로 결합
  • parbegin / parend 문

동기화와 임계영역

동기화와 임계영역

• 프로세스 동기화

  • 2개 이상의 프로세스에 대한 처리순서를 결정하는 것
  • 예: 동시에 사용할 수 없는 공유자원, 한 프로세스의 처리 결과에 따라 다른 프로세스의 처리가 영향을 받는 경우

• 임계영역

  • 2개 이상의 프로세스가 동시에 액세스하면 안 되는 공유자원을 엑세스하는 코드 영역

• 상호배제

  • 2개 이상의 프로세스와 동시에 임계영역에 진입하지 못하도록 하는 것

임계영역 문제 해결을 위한 요구조건

• 상호배제

  • 한 프로세스가 임계영역에서 실행 중일때 다른 어떤 프로세스도 임계영역에서 실행될 수 없음

• 진행

  • 임계영역에서 실행 중인 프로세스가 없고 여러 프로세스가 임계영역에 진입하고자 할 때 그 중에서 적절히 한 프로세스를 결정해야 하며 이 결정은 무한정 미룰 수 없음

• 제한된 대기

  • 한 프로세스가 임계영역 진입 요청을 한 후 수락될 때까지 다른 프로세스가 임계영역 진입을 허가 받는 횟수는 제한이 있어야 함

임계영역 문제 해결을 위한 도구

• Test and Set
• 세마포어

Test and Set

• Test and Set 명령아 (TS 명령어)

  • 상호배제의 하드웨어적 해결 방법
  • 분리가 불가능한 단일 기계 명령어(원자적으로 수행)

• 문제점

  • 많은 프로세스가 임계영역에 들어가기를 원할 때 기아가 발생할 수 있음
  • Busy waiting을 함으로써 다른 작업이 사용할 수 있는 CPU 사이클을 낭비

• 기아(starvation): 프로세스가 필요한 자원할당을 받지 못하고 계속적으로 대기하게 되는 상황

세마포어

• 세마포어(semaphore)

  • Dijkstra가 제안한 동기화 도구
  • 세마포어 s: 사용 가능한 자원의 수 또는 잠김/열림 등의 상태를 나타내는 값을 저장하는 정수형 공유변수
  • 세마포어 s는 두 표준단위 연산 P와 V에 의해서만 접근됨

• P(s): 검사, 감소시키려는 시도

if(s > 0) then
    s := s - 1;
else
    현재의 프로세스 대기

• V(s): 증가

if(i개 이상의 프로세스가 대기 중) then
    그 중 1개의 프로세스만 진행
else
    s := s + 1;

• 동기화 문제 해결
  • 프로세스1이 문장 S1을 실행한 후 프로세스2가 문장 S2를 실행하도록 동기화(block/wakeup) 프로토콜