{"componentChunkName":"component---src-templates-blog-post-js","path":"/Operating-Systems/2020-05-21-운영체제-식사하는-철학자-문제/","result":{"data":{"site":{"siteMetadata":{"title":"Hun's Footsteps 🥷","author":"전여훈","siteUrl":"https://jeonyeohun.netlify.app","comment":{"disqusShortName":"","utterances":"jeonyeohun/jeonyeohun.github.io"},"sponsor":{"buyMeACoffeeId":"jeonyeohun"}}},"markdownRemark":{"id":"d0f99eb6-6ae5-51f7-b61d-ececbd0d6c42","excerpt":"참고도서: Operating System Concepts (10/E) Abraham Silberschatz, Peter B. Galvin, Greg Gagne 식사하는 철학자들 철학자들이면서 너무 단순 무식하다.. 식사하는 철학자들 문제는 이렇다. 식사를 하기 위해 모인 철학자 N 명이 있고, 각 철학자들 사이에는 젓가락이 하나씩 총…","html":"

참고도서: Operating System Concepts (10/E) Abraham Silberschatz, Peter B. Galvin, Greg Gagne

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식사하는 철학자들

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철학자들이면서 너무 단순 무식하다.. 식사하는 철학자들 문제는 이렇다. 식사를 하기 위해 모인 철학자 N 명이 있고, 각 철학자들 사이에는 젓가락이 하나씩 총 5개가 있다. 철학자들은 밥을 먹기위해서 두 개의 젓가락을 사용해야하는데, 하나의 젓가락을 바로 옆에 있는 철학자와 공유(…)하기 때문에 문제가 발생하게 된다.

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만약 한번에 N명의 철학자들이 모두 자신의 왼쪽에 있는 젓가락을 집으려고 하는 상황을 상상해보자. 모양새가 웃기긴 하겠지만 각 철학자들은 왼쪽에 있던 젓가락 하나씩을 확보했다. 그리고 밥을 먹기위해서 오른쪽에 있는 젓가락을 들려고 했는데, 자신의 오른편에 있던 젓가락은 자신의 이전 사람이 왼손에 들고있기 때문에 그 사람이 젓가락을 놓길 기다리게 된다. 이렇게 모든 철학자들이 자신의 오른편에 있는 사람의 작업이 끝나길 기다리게 되기 때문에 교착상태(Deadlock) 상황에 빠지게 된다. 모든 철학자들이 굶어죽게(Starvation) 되는 것이다..

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이 문제를 세마포어를 사용해서 해결해보자

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Data Structure

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일단 공유자원인 젓가락을 선언해보자 만약 다섯명의 철학자가 있다고 한다면,

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semaphore chopstick[5];
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이렇게 5개의 세마포어를 만들 수 있다. 배열의 인덱스는 각 젓가락들의 번호를 의미하고 각 젓가락은 한번에 한명만 집어들 수 있기 때문에 1로 초기화 된다.

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Solution?

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do {\n    wait(chopstick[i]);         // 왼쪽에 있는 젓가락을 들 수 있는지 확인\n    wait(chopstick[(i+1) % 5]); // 오른쪽에 있는 젓가락을 들 수 있는지 확인\n    ...\n\n    /* 식사(작업) */\n\n    ...\n    signal(chopstick[i]);           // 왼쪽 젓가락 내려놓기\n    signal(chopstick[(i+1) % 5]);   // 오른쪽 젓가락 내려놓기\n    ...\n\n    /* 멍때리기 */\n\n    ...\n} while (true)
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위 코드를 해석해보면 흐름은 아래와 같다.

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  1. 왼쪽에 있는 젓가락을 들 수 있는지 확인한다.
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  2. 들 수 있다면 오른쪽 젓가락을 들기위해 계속 진행하고, 다른 철학자가 오른쪽 젓가락을 들고 있다면 내려놓을 때까지 대기한다.
    3. \n
  3. 두 개의 젓가락을 모두 획득했다면 작업을 수행한다.
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  4. 작업을 마치고 두 젓가락을 모두 내려놓는다.
    5. \n
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세마포어를 사용해서 위와 같이 구현하게 되면 동시에 여러 철학자들이 한 젓가락에 접근하는 것은 막을 수 있다. 그렇다면 정말 동기화 문제가 해결이 된 것일까? 그렇지 않다. 초입에서 설명했던 것 처럼 만약에 모든 철학자들이 왼쪽에 있는 젓가락을 획득하게된다면, 5]); 코드에 의해서 누군가 오른쪽 젓가락을 내려놓는 signal 을 실행할때까지 대기하게 된다. 이때, 모든 철학자들이 이것을 위해 대기 큐에서 대기하게되기 때문에 Deadlock 상태에 빠지게 된다.

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Possible Solutions

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결론적으로 세마포어를 사용하는 것 만으로는 식사하는 철학자 문제를 해결할 수 없다. Deadlock을 해결하기 위한 몇가지 전략을 생각해보자

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숫가락 갯수 - 1 명의 철학자만 식사자리에 초대하기

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N개의 젓가락이 있다면, N-1명의 철학자만 함께 식사를 할 수 있게 한다. 이렇게 하면, 모두 동시에 왼쪽 젓가락을 들더라도, 한개의 여유 젓가락이 생기게 되고 한명의 최악의 경우에도 한명의 철학자가 식사를 시작하고 마칠 수 있게 된다.

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동시에 양옆의 젓가락을 집을 수 있을 때만 젓가락을 집기

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왼쪽과 오른쪽 젓가락이 모두 사용이 가능할 때만 젓가락을 집게한다. 지금 문제가 일단 왼쪽 젓가락은 무조건 집고 오른쪽을 확인하기 때문에 교착상태가 발생하는데, 두개가 모두 사용가능할 때만 젓가락을 획득하게하면 교착상태는 일어나지 않는다.

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짝수번째 철학자와 홀수번째 철학자의 젓가락 집는 방향을 반대로 하기

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홀수번째에 있는 철학자들은 왼쪽 젓가락을 먼저 집고, 짝수번째에 있는 철학자들은 오른쪽 젓가락을 먼저 집게한다. 이 규칙을 만들면 모든 철학자가 자신의 양옆에 있는 철학자들과 젓가락을 집는 방향이 달라지게되기 때문에 서로가 한쪽을 바라보며 서로를 기다려야하는 상황이 발생하는 않는다.

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