운영체제 레포트 - 운영체제에서 임계영역의 개념을 설명하고, 이를 해결하기 위한 방법에 대해 서술하시오.

I. 서론

운영체제 실습에서 여러 스레드가 같은 정수 값을 증가시키는 짧은 프로그램을 돌렸을 때 예상과 다른 결과가 나온 적이 있다. 각 스레드가 정해진 횟수만큼 값을 더했으니 계산상 결과는 뻔해 보였지만 실행할 때마다 값이 조금씩 달랐다. 문법 오류도 없었고 덧셈 자체도 틀리지 않았다. 문제는 두 스레드가 같은 값을 거의 동시에 읽고 바꾸는 순간에 있었다. 한쪽이 갱신한 결과가 다른 쪽 연산에 덮여 버리면서 증가 연산 일부가 사라졌다. 동시 실행에서 중요한 것은 연산 하나의 정확성만이 아니라 여러 실행 흐름이 공유 자원에 접근하는 순서를 어떻게 통제하느냐라는 사실을 그때 체감했다.

임계영역은 여러 프로세스나 스레드가 공유 데이터나 장치에 접근하는 코드 구간 가운데 동시에 실행될 때 일관성이 깨질 수 있는 부분을 뜻한다. 공유 변수 수정, 연결 리스트 갱신, 파일 메타데이터 변경, 입출력 장치 제어 같은 작업이 대표적이다. 임계영역 문제의 핵심은 공유 자원에 접근하는 모든 실행을 막는 데 있지 않다. 충돌 위험이 있는 구간에 필요한 만큼의 질서를 만들면서도 나머지 실행은 가능한 한 병렬로 진행하게 해야 한다. 그래서 해결책은 상호배제뿐 아니라 진행 가능성과 기다림의 한계까지 함께 따져야 한다.

II. 본론

1) 같은 값을 동시에 바꿀 때 생기는 임계영역 문제

동시성 문제를 이해하려면 증가 연산을 한 번 더 잘게 나눠 볼 필요가 있다. 프로그램에서 공유 변수 값을 1 증가시키는 한 줄은 기계 수준에서 읽기, 계산, 쓰기처럼 여러 단계로 실행될 수 있다. 두 스레드가 공유 값 10을 거의 같은 시점에 읽었다고 해보면 둘 다 10을 기준으로 11을 계산할 수 있다. 한 스레드가 11을 저장한 뒤 다른 스레드도 11을 저장하면 최종 값은 12가 아니라 11이다. 각 스레드는 자기 명령을 정상 수행했지만 전체 결과는 잘못된다. 이런 현상을 경쟁 상태라고 부른다.

경쟁 상태가 까다로운 이유는 항상 같은 방식으로 실패하지 않기 때문이다. 실행 순서는 스케줄러 결정, 인터럽트, 코어 수, 캐시 상태 같은 여러 조건에 따라 달라진다. 한 번 실행했을 때 문제가 없었다고 안전한 프로그램이라고 말할 수 없다. 개발 환경에서는 멀쩡했던 코드가 부하가 커진 상황에서 오류를 드러낼 수도 있다. 재현이 어려운 버그가 되는 이유다. 운영체제는 수많은 공유 자료구조를 관리하므로 이런 문제를 방치할 수 없다.

임계영역을 가진 프로세스의 흐름은 보통 진입을 준비하는 구간, 공유 자원을 실제로 다루는 임계영역, 잠금을 풀거나 상태를 정리하는 구간, 나머지 코드로 나눠 생각할 수 있다. 진입 구간에서는 다른 실행 주체가 임계영역 안에 있는지 확인하거나 잠금을 획득한다. 임계영역에서는 보호할 공유 상태를 변경한다. 빠져나오는 구간에서는 다음 실행 주체가 들어올 수 있도록 잠금 상태를 바꾼다. 중요한 점은 보호 범위를 너무 넓게 잡지 않는 것이다. 관계없는 계산까지 잠금 안에 넣으면 안전성은 얻을지 몰라도 병렬 처리의 장점이 줄어든다.