[운영체제] 병행프로세스 (2)

• 프로세스의 상호협력
  • 병행 프로세스들의 상호협력
    • 공통작업을 수행하기 위해 서로 협동하는 경우
    • 예: 생산자/소비자 문제, 판독기/기록기 문제
• 생산자/소비자 문제
  • 유한 버퍼 문제
    • 생산자 ---버퍼---> 소비자
    • 생산자: 버퍼에 데이터를 채우는 프로세스
      • 버퍼가 가득차 있다면 생산자는 대기해야함
    • 소비자: 버퍼에 있는 데이터를 읽어내는 프로세스
      • 버퍼가 비어 있다면 소비자는 대기해야함
    • 상호배제, 동기화 필요
  • 세마포어 이용 - mutex, empty, full
    • 생산자가 버퍼에 넣는 과정과 소비자가 버퍼에서 데이터를 꺼내는 작업이 서로 상호배제 되어야 함
    • 생산자 프로세스
      • nextp에 데이터 항목을 생산
      • p(empty); empty의 초기값 n
        • 버퍼가 꽉차있다면 empty값은 0
      • p(mutex); --> nextp를 버퍼에 넣음 --> v(mutex);
      • v(full); full 
    • 소비자 프로세스
      • p(full); full이 0인 경우 대기상태 / 버퍼가 비어있다면 소비자 프로세스는 시작되지 않음
      • p(mutex); --> 버퍼에서 데이터항목을 꺼내 nextc에 넣음 --> v(mutex); --> nextc를 소비
      • v(empty); 데이터 항목을 꺼낸 후 empty 값을 확인하여 대기하고 있는 생산자 프로세스가 있다면 실행하도록 함
    • 상호배제
      • mutex의 초기값 1
    • 동기화
      • full의 초기값 0
      • empty의 초기값 n
  • 판독기/기록기 문제
    • 공유 데이터 객체(파일, 레코드 등) 
      • 판독기
        • 데이터 읽기: 여러 개의 판독기가 동시에 공유 데이터 객체에 접근하는 것에는 문제가 없음
      • 기록기
        • 데이터 쓰기: 기록기가 다른 기록기 또는 판독기와 동시에 공유 데이터 객체에 접근하는 것은 문제
        • 상호배제 필요
      • 우선순위에 따른 문제의 변형
        • 제 1판독기/기록기 문제(판독기 우선)
          • 기록기가 이미 공유객체의 사용을 허가 받은 것이 아니라면 판독기는 대기하지 않음
          • 기록기의 기아상태 유발 가능
          • 세마포어 이용 - mutex, wrt
            • 기록기 프로세스
              • p(wrt); 
              • 쓰기 수행
              • v(wrt);
            • 판독기 프로세스
              • p(mutex); 
              • readcount := readcount+1
              • if readcount=1 then p(wrt);
              • v(mutex);
              • 읽기 수행
              • p(mutex);
              • readcount := readcount-1
              • if readcount=0 then v(wrt);
              • v(mutex);
            • 상호배제
              
              • wrt의 초기값 1
            • 판독기 우선
              • 변수 readcount의 초기값 0
              •  
        • 제2 판독기/기록기 문제(기록기 우선)
          • 일단 기록기가 준비되었다면 기록을 가능한 한 빨리 수행할 수 있도록 함
          • 판독기의 기아상태 유발 가능
  • 프로세스 간의 통신(IPC, InterProcess Communication)
    • 병행 프로세스 사이의 통신을 위한 방법
      • 공유기억장치 기법
        • 프로세스 간에 공유변수를 이용하여 정보를 교환
        • 프로세스 A / 공유기억장치 / 프로세스 B
          • 공통된 기억장치가 있으므로 서로 읽거나 쓰기를 함 -> 정보교환
        • 예: 유한 버퍼
        • 고속 통신 가능
        • 통신기능 제공의 책임: 응용 프로그래머
      • 메세지 시스템 기법
        • 메시지를 교환하는 방식으로 정보를 교환
        • send/receive 연산자
          • 프로세스 A <-send, receive-> 커널 / 프로세스 B <-send, receive-> 커널
        • 소량의 데이터 교환에 유용
        • 통신기능 제공의 책임: 운영체제
        • 통신링크
          • 프로세스들 사이에 메시지를 주고받기 위한 연결통로
            • 프로세스 P --통신링크-- 프로세스 Q
        • 논리적 구현에 대한 이슈
          • 어떻게 링크를 설정?
          • 한 링크가 2개 이상의 프로세스와 연결 가능? 두 프로세스 사이에 얼마나 많은 링크가 존재?
          • 링크의 용량은? 메시지의 크기는? 링크는 단방향인가 양방향인가?
        • 직접 통신
          • 메시지 전달 연산에 수신자나 송신자 이름을 명시
            • 대칭형
              • 프로세스 P
                
                • receive(Q, message);
                • send(Q, m2);
              • 프로세스 Q
                • send(P, message);
                • receive(P, m2);
            • 비대칭형
              • 프로세스 P
                • receive(id, message);
                  • Q 말고도 S나 R프로세스와도 통신하고 있다면 id값을 통해 유연하게 통신할 수 있음
              • 프로세스 Q
                • send(P, message);
        • 간접 통신(우편함)
          • 메시지 전달 연산에 우편함 이름을 명시
            • 프로세스 P
              
              • send(A, message);
            • 우편함 A
            • 프로세스 Q
              • receive(A, message);
            • 통신링크는 공유 우편함이 있는 경우에만 설정됨
            • 하나의 링크는 2개 이상의 프로세스들과 연관될 수 있으며 각 통신 프로세스 쌍 사이에는 여러 링크가 존재 가능
            • 링크는 단방향 또는 양방향임
          • 우편함이 프로세스에 소속되는 경우
            • 프로세스 P
              • 송신만 가능
            • 우편함
            • 프로세스 Q (우편함 소유)
              • 수신만 가능
          • 우편함이 운영체제에 소속되는 경우
            • 프로세스 P
            • 우편함
            • 프로세스 Q (우편함 생성자 -> 소유)
              • 수신 가능
        • 링크의 용량
          • '0' 용량
            • 프로세스 P --큐 없음--> 프로세스 Q 
              • 동기화 필요
          • 제한된 용량
            • 프로세스 P --(큐 크기n) --> 프로세스 Q 
              • 큐가 가득 차면 송신자는 대기
          • 무제한 용량
            • 프로세스 P --큐(크기 무한) --> 프로세스 Q
              • 송신자는 대기할 필요가 없음
          • '0'용량이 아닌 경우 메시지 도착 여부의 인지 방법
            • 프로세스 P 
              • send(Q, message);
            • 프로세스 Q
              • receive(P, message);
              • sned(P, "ack");
            • 비동기적 통신
        • 예외조건 처리
          • 프로세스가 종료된 경우
            • 송신 프로세스 Q가 종료된 경우
              • 프로세스 P 
                • receive(Q, m);
              • 프로세스 Q
                • 종료됨
              • P를 종료
              • Q가 종료한 사실을 P에 알림
            • 수신 프로세스 Q가 종료된 경우
              • 프로세스 P
                • send(Q, m);
              • 프로세스 Q
                • 종료됨
              • 버퍼가 없는 경우
                • Q는 send하고나서 계속 기다리게 되므로 처리가 필요함
              • P를 종료
              • Q가 종료한 사실을 P에 알림
          • 메시지를 상실한 경우
            • 운영체제가 탐지 후 메시지 재전송
            • 송신 프로세스가 탐지 후 메시지 재전송
            • 운영체제가 탐지 후 송신 프로세스에게 통지
            • 탐지방법: 시간 제한
          • 메시지가 혼합된 경우 
            • 오류 탐지 후 재전송
            • 탐지방법: checksum
        • 통신 링크는 자동 설정됨
        • 하나의 링크는 두 프로세스 사이만 연관되며 각 통신 프로세스 쌍 사이에는 정확히 하나의 링크가 존재
        • 링크는 양방향임
    • 두 방법은 상호 배타적이 아님
      • 단일 운영체제 내에서 동시에 사용 가능