[OS] 상호 배제를 위한 모니터

안녕하세요. 회사와 함께 성장하고 싶은 KOSE입니다.

 

이번 포스팅은 상호 배제의 방법으로 Hoare(토니 호어)의 모니터 방식과 Lampson/Redell의 모니터 방식을 정리하도록 하겠습니다.

 

이전 포스팅은 운영체제에서 공유 자원의 상호 배제 방법으로 세미포어를 활용하는 것을 정리하였습니다. 세미포어는 상호 배제 보장과 프로세스 간 협력을 위해 사용되는 강력하고 유연한 프리미티브이지만, 구현하기가 어렵고 모듈화가 되지 않는다는 단점이 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 '토니 호어'가 '모니터'를 제안하였습니다.

 

 

 

1. 모니터

 

모니터는 프로그래밍 언어 수준에서 제공되는 구성체로 세마포어와 동일한 기능을 제공합니다. 모니터에 대한 개념은 Concurrent Pascal, Java 등 다양한 언어로 구현되어 있습니다. 

 

Hoare가 제안한 시그널 기반 모니터

• 지역 변수는 모니터의 프로시저를 통해 접근 가능합니다. 즉, 외부에서 변수에 대한 직접 접근은 허용되지 않습니다.
• 프로세스는 모니터의 프로시저 중에 하나를 호출함으로써 모니터로 들어갑니다.
• 한 순간에 오직 하나의 프로세스만이 모니터 내에 존재할 수 있습니다. 즉, 모니터가 이미 사용 중인 경우 다른 프로세스들은 모니터가 이용 가능해질 때까지 대기해야 합니다. (상호 배제)
• 모니터는 동기화를 위해 조건 변수(condition variabls)를 제공합니다. 조건 변수는 모니터 내부에 포함되며, 모니터 내부에서만 접근할 수 있습니다.
• cwait(c): 호출한 프로세스를 조건 c에서 일시 중지합니다. 모니터는 이제 다른 프로세스에서 사용될 수 있습니다.
• csignal(c): cwait(c)에 의해 중지되었던 프로세스의 수행을 다시 재개시킵니다. 만일 중지된 프로세스가 여러 개일 경우 그 중하나를 선택합니다. 만약 중지된 프로세스가 없다면 시그널은 아무 일도 일어나지 않습니다.

 

 

2. 모니터 수행 과정

 

• A 프로세스 지역 변수 x와 관련된 프로시저 호출
• B 프로세스가 모니터 진입점에서 진입 시도
• 모니터를 프로세스 A가 이미 사용 중이므로 대기 큐[x]에 블록
• 프로세스가 지역 변수 x 관련 프로시저를 마친 경우 cSignal(x) 호출
• 이전에 중단된 프로세스C가 있다면 프로세스 블록 큐에서 호출하여 진행 

사진 1

 

 

3. 기존 모니터 모델의 단점

• cSignal을 호출한 프로세스가 호출 이후 여전히 해야 할 작업이 남아 있다면, 두 번의 추가적인 프로세스 문맥 교환이 필요합니다. 한 번은 호출한 프로세스를 일시중지 시키고, 모니터가 다시 사용하게 되었을 때, 재개시키기 위해 필요합니다.
• 스케줄러는 cSignal 호출로 인해 cWait() 중인 프로세스가 블록 큐에서 나와 실행되어 다른 프로세스가 모니터에 들어가지 않도록 해야 합니다. 만약 계속 새로운 프로세스가 모니터에 입장할 경우 블록 큐에 있는 프로세스는 계속 대기상태에 있을 수 있습니다.

저는 처음에 스케줄러는 cSignal 호출로 인해 cWait() 중인 프로세스가 블록 큐에서 나와 실행되어 다른 프로세스가 모니터에 들어가지 않도록 해야 하는 부분이 자세히 이해가 되지 않았습니다. 

 

하지만 위에서 정리한 수행 과정에 하나의 예시를 더 추가해보고 생각해 보았더니 이해할 수 있었습니다.

• 자원 소비를 담당하는 프로세스 A 모니터 진입 -> 조건 a에 대해 cWait(a)로 모니터에서 나와 블록 큐로 이동
• 자원 소비를 담당하는 프로세스 C가 대기 큐에 모니터 진입 -> 조건 a에 대해 cWait(a)로 모니터에서 나와 블록 큐로 이동
• 현재 블록 큐 (A, C) 순서
• 자원 추가를 담당하는 프로세스 D가 대기 큐에서 모니터 진입 -> 조건 a를 만족하여 cSignal(a) 호출
• 대기 큐에 프로세스E가 있더라도 블록 큐에 있는 A를 모니터에 진입하여 cWait() 이후 과정을 수행할 수 있도록 수행

 

 

 

4. Lampson과 Redell의 모니터 모델

 

토니 호어의 모니터 모델의 단점을 극복하기 위해 Lampson과 Redell이 다른 모니터 모델을 개발하였습니다.

• csignal() -> cnotify()로의 도입으로 각 조건 변수에 대한 최대 대기 시간을 설정할 수 있습니다.
• 주요 변경 로직은 if 로 설정된 조건을 while로 대체하는 소스입니다. while( count == N) cwait(notfull);
• 조건 변수에 감시 타이머를 설정하여 최대 대기 시간을 기다린 프로세스는 다시 준비 상태로 전이시킬 수 있습니다.
• cbroadcast의 추가로 대기하고 있는 모든 프로세스를 전부 깨울 수 있습니다. 이 효과는 메모리 10이 확보되었을 때, 메모리에 충족하는 특정 프로세스만 실행시켜야 할 때, 전부 프로세스를 깨움으로써 가용한 프로세스를 수행시킬 수 있습니다.

이 부분에서 while()에 대한 이해되지 않는 부분이 생겼습니다. while 루프를 활용한다면 무한 루프에 빠지지 않을까라는 궁금증입니다. 하지만, 이 부분은 너무나 명쾌하게 해결할 수 있는 문제였습니다. 실제 블록 큐로 이동하게 된다면 큐에서 빠져나오지 않는 한 cpu에서 실행되지 않습니다. cnotify나 cbroadcast를 호출할 때 비로소 큐에서 빠져나와 할당받을 수 있으며 다시 while 루프에서 자원에 대한 조건을 처리하므로 안정적으로 자원에 대한 상호배제와 동기화를 처리할 수 있습니다.

 

이상으로 상호 배제의 모니터에 대한 글을 마치도록 하겠습니다.

읽어주셔서 감사드립니다.!!!

 

 

출처 (사진 1) : http://blog.skby.net/%EC%83%81%ED%98%B8-%EB%B0%B0%EC%A0%9C-%EA%B8%B0%EB%B2%95-%EB%AA%A8%EB%8B%88%ED%84%B0-monitor/

자료 출처: 운영체제 8판 내부구조 및 설계원리