시스템 프로그래밍 - 스레딩 동기화
1. 스레딩 동기화
1) 필요성
- 하나의 프로세스에서 2개의 스레드가 같이 공유하고 있는 자원(code,data,files)에 동시에 접근하는
것을 막아야함
- 하나의 자원에 하나의 스레드가 접근하도록 제어 필요
- 다수의 스레드가 하나의 자원에 순차적으로 접근할 수 있도록 제어 필요
2) 임계영역
- 서로 공유하는 자원들을 순차적으로 접근하기 위한 제어 공간
- 다수의 프로세스 및 스레드가 접근 가능하지만 어느 한 순간에서는 프로세스 및 스레드 하나만 사용 가능
3) 동기화 기법
(1) 상호배제 (MUTEX : MUTual EXclusion)
- pthread_mutex_t 타입의 변수를 뮤텍스라고 표한함
- 한 스레드가 자원을 사용하기 위해 임계영역으로 들어가면 다른 스레드는 임계영역으로 들어가지 못하도록 하는 기법
(1-1) 작동 기본 원리
- 임계영역에 들어갈 때 뮤텍스를 잠그고 들어감
- 임계영역에서 빠져 나올 때 뮤텍스를 풀고 나감
(1-2) 상호배제의 조건
- 두 프로세스는 동시에 공유 자원에 진입 불가
- 프로세스의 속도나 프로세서 수에 영향 받지 않음
- 공유 자원을 사용하는 프로세스만 다른 프로세스 차단 가능
- 프로세스가 공유 자원을 사용하려고 너무 오래 기다려서는 안됨
(1-3) 주의점
- Deadlock (교착 상태)
- mutex의 파괴
- 다른 쓰레드가 lock한 뮤텍스를 unlock하는 상황
(2) Lock and unlock(Binary Semaphore)
- 세마포 S를 상호배제에 사용, 1또는 0으로 초기화 P와 V의 연산 교대 실행
4) 세마포어
- 프로세스 사이의 동기를 맞추는 기능 제공
- 한 번에 한 프로세스만 작업을 수행하는 부분에 접근해 잠그거나, 다시 잠금을 해제하는 기능을 제공하는 정수형 변수
(1)
- 에츠허르 데이크스트라 처음 사용
- 테스 명령어의 문제 해결을 위해 제안
- 세마포어 값은 ture나 false로, P와 V연산과 관련
- 네덜란드어로 P는 검사 Proberen, V는 증가 Verhogen 의미
(2)
- 세마포를 의미하는 S는 표준 단위 P(프로세스 대기하는 wait동작, 임계 영역에 진입하는 연산)와
V(대기 중인 프로세스를 깨우려고 신호 보내는 signal 동작, 임계 영역에서 나오는 연산)로만
접근하는 정수 변수시하고 해체함수는 v로 표현
(3) 세마포어 기본 동작 구조
- 중요 처리부분(임계 영역)에 들어가기 전에 p 함수를 실행하여 잠금 수행
- 처리를 마치면 v 함수를 실행하여 잠금 해제
p(sem); // 잠금
중요한 처리 부분
v(sem); // 잠금 해제
(4) p 함수의 기본 동작 구조
p(sem){
while sem = 0 do wait;
sem 값을 1 감소;
}
- sem의 초기값은 1
- sem이 0이면 다른 프로세스가 처리부분을 수행하고 있다는 의미이므로 1일 될 때까지 기다림
- sem이 0이 아니면 0으로 만들어 다른 프로세스가 들어오지 못하게 함
(5) v 함수의 기본 동작 구조
v(sem) {
sem 값을 1 증가;
if( 대기중인 프로세스가 있으면 )
대기중인 첫번째 프로세스를 동작시킨다.
}
5) 세마포어 관련 함수
(1) 세마포어 생성 : semget(2)
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
- nsems : 생성할 세마포어 개수
- semflg : 세마포어 접근 속성 (IPC_CREAT,IPC_EXCL)
(1-1) semid_ds 구조체
- sem_perm : IPC 공통 구조체
- sem_base : 세마포어 집합에서 첫번째 세마포어의 주소
- sem_nsems : 세마포어 집합에서 세마포어 개수
- sem_otime : 세마포어 연산을 수행한 마지막시간
- sem_ctime : 세마포어 접근권한을 마지막으로 변경한 시간
- sem_binary : 세마포어 종류를 나타내는 플래그
(1-2) sem 구조체
struct sem {
ushort_t semval;
pid_t sempid;
ushort_t semncnt;
ushort_t semzcnt;
kcondvar_t semncnt_cv;
kcondvar_t semzcnt_cv;
}
- semval : 세마포어 값
- sempid : 세마포어 연산을 마지막으로 수행한 프로세스 PID
- semncnt : 세마포어 값이 현재 값보다 증가하기를 기다리는 프로세스 수
- semzcnt : 세마포어 값이 0기 되기를 기다리는 프로세스 수
(2) 세마포어 제어 : semctl(2)
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
- semnum : 기능을 제어할 세마포어 번호
- cmd : 수행할 제어 명령
- … : 제어 명령에 따라 필요시 사용할 세마포어
(2-1) 공용체 주소 (선택 사항)
union semun {
int val;
struct semid_df *buf;
ushort_t *array;
} arg;
- cmd에 지정할 수 있는 값
- GETPID : 세마포어의 sempid 값을 읽어옴
- GETNCNT, GETZNCNT : 세마포어의 semncnt, semzcnt 값을 읽어옴
- GETALL : 세마포어 집합에 있는 모든 세마포의 semval 값을 arg.array에 저장
- SETALL : 세마포어 집합에 있는 모든 세마포어의 semval 값을 arg.array의 값으로 설정
(3) 세마포어 연산 : semop(2)
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);
- sedmid : semget() 함수로 생성한 세마포어 식별자
- sops : sembuf 구조체 주소
- nsops : sops가 가리키는 구조체 크기
struct sembuf {
ushort_t sem_num;
short sem_op; // 세마포어 연산을 의미
short sem_flg;
};
6) 뮤텍스 조작 함수
(1) Pthread_mutex_init()
- 사용 : 뮤텍스를 초기화
- 성공시 0 실패시 0이 아닌 errno 설정
#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
const pthread_mutextattr_t *restrict attr);
- mutex : 초기화 할 뮤텍스 객체의 포인터
- attr : 뮤텍스에 지정할 속성, default 는 NULL
(2) Pthread_mutex_destroy()
- 사용 : 뮤텍스를 파괴
- 성공 시 0 실패 시 non-zero 리턴,errno 설정
#include <pthread.h>
int pthread_mutex_destory(pthread_mutext_t *mutex);
(3) Pthread_mutex_lock()
- 사용 : 뮤텍스를 lock 시킴
- 만약 뮤텍스가 lock된 상태라면 unlock 될때까지 block 됨
- 성공시 0 리턴, 실패시 non-zero 리턴,errno 설정
#include <pthread.h>
int pthread_mutex_lock(pthread_mutext_t *mutex);
- Mutex : lock 시킬 뮤텍스 객체의 포인터
(4) Pthread_mutext_trylock
- 사용 : pthread_mutex_lock의 non-blocking 버전
- 성공시 0리턴, 실패시 non-zero리턴, errno 설정
#include <pthread.h>
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutext_t *mutex);
- mutex : trylock 시킬 뮤텍스 객체의 포인터
(5) Pthread_mutex_unlock()
- 사용 : lock된 뮤텍스를 unlock 시킴
- 성공시 0 리턴, 실패시 non-zero 리턴,errno 설정
#include <pthread.h>
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutext_t *mutex);
- Mutex : unlock 시킬 뮤텍스 객체의 포인터
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