참고도서: Operating System Concepts (10/E) Abraham Silberschatz, Peter B. Galvin, Greg Gagne
\n이전에 공부했던 생산자 소비자 문제가 다시 찾아왔다. 생산자-소비자 문제 혹은 유한 버퍼 문제는 어떤 버퍼에 생산자는 계속해서 자원을 넣으려고 하고, 소비자는 계속해서 자원을 빼내려고 할 때, 효과적으로 이 둘의 행동을 제어하는 문제이다. 세마포어를 통해 생산자 소비자 문제를 해결하기 위해 우리에겐 다음과 같은 자료구조가 필요하다
\nint n;\nsemaphore mutex = 1; // 사호배제를 위한 임계구역 진입여부 표시\nsemaphore empty = N; // 비어있는 버퍼의 자리 개수\nsemaphore full = 0; // 차있는 버퍼의 자리 개수우리가 가지고 있는 유한한 버퍼의 크기가 N일 때, 소비자는 버퍼에서 한번의 하나의 자원을 획득해간다. 이때 empty semaphore는 빈자리가 하나 늘어났기 때문에 1 증가하고, full semaphore는 차 있던 버퍼 한 자리가 비워졌기 때문에 1 감소한다.
\n세마포어로 유한 버퍼 문제를 구현해보자
\ndo {\n /* 자원 생성 */\n\n wait(empty); // 빈자리가 생길 때까지 대기한다\n wait(mutex); // 임계구역 진입이 획득될 때까지 대기한다\n\n /* 버퍼에 자원 넣기 */\n\n signal(mutex); // 임계구역 진입 lock을 푼다\n signal(full); // 버퍼에 새로 들어간 자원이 있다는 것을 알린다.\n\n} while(true);Producer의 역할을 자원을 버퍼에 넣는 것이다. 이런 맥락에서 위 코드를 해석해보면 Producer가 하는 일의 과정은 다음과 같다.
\nlock 획득 후 임계구역 진입lock 해제 및 full signal 실행결국 생산자가 하는 역할은 빈자리가 생겼을 때 넣을 자원을 준비해두고 빈자리가 생길때까지 대기하다가 빈자리가 생기는 순간에 임계구역으로 진입해서 빈자리에 자원을 넣어주는 것이다.
\ndo {\n wait(full); // 자원 대기\n wait(mutex); // lock 획득\n ...\n /* 버퍼에서 자원 하나 가져오기. 해당 버퍼는 비워진다. */\n ...\n signal(mutex); // lock 해제\n signal(empty); // 자원을 하나 가져갔기 때문에 버퍼에 빈자리가 생겼다는 것을 알린다.\n\n /* 가져온 자원을 사용한다 */\n\n} while(true);Consumer 의 역할은 버퍼에 남아있는 자원이 있다면, 해당자원을 버퍼에서 꺼내 가져오는 것이다. 이 맥락에서 위 코드를 읽어보면 Consumer의 작업은 다음과 같은 과정으로 이루어진다.
\nlock을 획득하고 임계구역으로 진입해서 자원을 하나 소비lock 해제 및 empty signal 실행위와 같이 소비자를 구성하게 되면, 소비자는 버퍼가 오나전히 비워져있지 않다면 버퍼에 접근해서 자원을 하나 가져오게되고, 자원이 빠져나갔다는 것을 signal을 통해 알리게 된다.
\n위 자료구조에서 세마포어가 총 세 개가 사용된다. 비어있는 버퍼의 갯수를 나타내는 empty, 차 있는 버퍼의 갯수를 나타내는 full 그리고 프로세스간 상호 배제를 위해 사용하는 mutex이다. 세마포어 변수의 이름이 mutex 로 지어져서 헷갈릴 수도 있지만, 이 변수는 binary semaphore이지 mutex lock은 아니다. 근데 왜 굳이 lock 역할을 하는 세마포어가 또 필요할끼?
문제는 full 과 empty의 signal 과 wait 연산에 있다. 두 연산은 그 자체로는 전혀 atomic 한 연산이 아니다. 내부적으로 값도 증가시켜주어야 하고, 대기를 시킬 때는 리스트에 PCB를 연결해주는 것 까지 해야한다. 따라서 signal 에 의해 동시에 여러 프로세스들이 임계구역 진입에 대한 조건을 만족하게 되면, 저마다 대기 큐에서 빠져나오려고 할 텐데, 이 때 binary semaphore를 사용해서 단 하나의 프로세스에게만 진입을 허용한다면, 동시에 여러 프로세스가 임계구역으로 진입하는 문제를 막을 수 있을 것이다.
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