Lecture #5 Concurrency: Mutual Exclusion and Synchronization (상호배제와 동기화) 1 다중 프로세스 처리 Central to the design of modern Operating Systems is managing multiple processes Multiprogramming Multiprocessing Distributed Processing Big Issue is Concurrency Managing the interaction of all of these processes 병행성(Concurrency) Concurrency arises in: Multiple applications Structured applications Sharing time Extension of modular design Operating system structure OS themselves implemented as a set of processes or threads Interleaving and Overlapping Processes (1) processes may be interleaved on uniprocessors Interleaving and Overlapping Processes (2) And not only interleaved but overlapped on multiprocessors Difficulties of Concurrency Sharing of global resources Optimally managing the allocation of resources Difficult to locate programming errors as results are not deterministic and reproducible. 프로세스 상호작용(Process Interaction) 프로그램 실행 (Program Execution) 프로그램은 프로세스의 집합으로 이루어진다 프로그램 실행(Program Execution) 순차 실행(Sequential Execution) 병행 실행(Concurrent Execution) 병렬 실행(Parallel Execution) 병행성(동시성:Concurrency) > 병렬성(Parallelism) 프로그램 병행 실행은 실행 시간 최적화에 접근 Operating System 8 병렬 실행(Concurrent Execution)의 문제점 병행 프로세스들(Concurrent processes (or threads))는 일반적으로 데이터와 자원을 공유한다 만약 공유 데이터에 대한 접근을 적절하게 제어하지 않으면 일부 프로세스는 잘못된 데이터를 접근하게 된다 병행 프로세스의 실행 결과는 병행 프로세스 간의 실행이 섞이는 순서에 의하여 결정되어 진다 Operating System 9 Race Condition (경쟁 상태) 경쟁 상태 (Race Condition) 다수의 프로세스들 또는 쓰레드들이 공유자원을 동시에 읽거나 쓰려고 하는 상태 최종 실행 결과는 프로세스나 쓰레드의 실행 순서에 의해 달라짐. 자원공유(Resource Sharing) 자원경쟁(Resource Competition) 공유 데이터 접근의 예 3 variables: A, B, C which are shared by thread T1 and thread T2 T1 computes C = A+B T2 transfers amount X from A to B T2 must do: A = A -X and B = B+X (so that A+B is unchanged) But if T1 computes A+B after T2 has done A = A-X but before B = B+X then T1 will not obtain the correct result for C = A + B The resource sharing requires the synchronization between threads Operating System 11 병행 실행의 예(1) 생산자 & 소비자 프로세스 n 생산자 프로세스 n-1 (Producer Process) … in Operating System 1 2 소비자 프로세스 3 (Consumer Process) 4 out 12 병행 실행의 예(2) 생산자 프로세스 코드 소비자 프로세스 코드 repeat while count == 0 do no-op; ... nextc = buffer[out]; nextp에서 한 항목을 생산 out = (out + 1) mod n; ... while count == n do no-op; count = count - 1; ... buffer[in] = nextp; nextc에서 한 항목을 소비 in = (in + 1) mod n; ... count = count + 1; until FALSE; until FALSE; repeat Operating System 13 병행 실행의 예(3) 생산자 프로세스 코드 소비자 프로세스 코드 count = count + 1; count = count - 1; register1 = count register1 = register1 + 1 count = register1 register2 = count register2 = register2 - 1 count = register2 Operating System 14 병행 실행의 예(4) 생산자 프로세스와 소비자 프로세스가 병행 실행되는 경우 : T0: 생산자 register1 = count T1: 생산자 register1 = register1+1 T2: 소비자 register2 = count T3: 소비자 register2 = register2-1 T4: 소비자 count = register2 T5: 생산자 count = register1 {register1 = 5} {register1 = 6} {register2 = 5} {register2 = 4} {count = 4} {count = 6} 문제점: 두 개의 프로세스가 동시에 count 변수에 접근 해결책: Operating System count 변수에 접근하는 순서를 제어, 즉 한번에 하나의 프로세스만이 count 변수에 접근하도록 제어 프로세스 동기화(Process Synchronization)가 필요 15 병렬 실행에서의 자원 공유 병행 실행에서의 자원 공유에 따른 문제점 1. 2. Operating System 상호 배제(Mutual Exclusion) 병행 프로세스들이 공유 자원을 동시에 접근함으로써 전혀 예기치 못하는 결과가 발생할 수 있다 한 시점에 공유 자원을 접근하는 실행 단위(프로세스 또는 쓰레드)는 단지 하나만 존재하여야 한다 실행 동기화 (Execution Synchronization) 하나의 프로그램은 구성하는 병행 프로세스들은 상호간에 일련의 실행 순서에 맞추어 실행되어야 한다 예: 생산자-소비자 모델에서 생산자가 버퍼에 데이터를 저장하여야 소비자가 데이터 처리가 가능해진다 16 임계구역(critical section) 문제(1) 임계구역(Critical Section: CS) 상호 배제(Mutual Exclusion) 하나의 프로세스가 공유 데이터를 접근하는 코드를 실행할 때에 그 프로세스가 임계구역에 있다라고 정의 The execution of critical sections must be mutually exclusive 다중 프로세서 환경에서도 임계구역에서 실행하고 있는 프로세스는 오직 하나만 있어야 한다 상호 배제에 대한 접근법 Operating System 병행 실행되는 각 프로세스는 임계구역에 들어가기 위해서는 임계구역 실행에 대한 허용(permission)을 얻어야 한다 17 임계구역(critical section) 문제(2) 임계 구역(critical section) 문제 Operating System 프로세스 동기화 프로토콜을 설계 병행 프로세스의 실행 결과가 실행 순서에 상관없이 일정하도록 프로세스 상호간에 협조하는 프로토콜을 설계 18 임계 구역 문제의 기본 가정(1) 병행 프로세스의 전형적인 구조 진입 구역(entry section) 출구 구역(exit section) 임계 구역 다음에 나오는 영역으로 임계 구역을 벗어나기 위한 코드 영역 잔류 구역(remainder section) Operating System 임계 구역에 진입하기 위해 허용을 요구하는 코드 영역 프로그램의 나머지 코드 영역 19 임계 구역 문제의 기본 가정(2) 병행 프로세스의 전형적인 구조(계속) Repeat entry section critical section exit section remainder section until FALSE Operating System 20 임계 구역 문제의 기본 가정(3) 각 프로세스는 0이 아닌 속도로 실행된다 n개의 프로세스의 상대적인 실행 속도에 대한 가정은 없다 n 개의 프로세스의 실행순서에 대한 가정은 없다 많은 CPU가 존재할 수 있다 동일한 메모리 영역을 동시에 접근할 수 없도록 제어하는 메모리 하드웨어가 있다 임계 구역 문제에 대한 해결책을 찾는 것은 진입 구역과 출구 구역의 코드를 정의하는 것이다 Operating System 21 임계 구역 문제의 해결책에 대한 세 가지 요구조건(1) 상호배제(Mutual Exclusion) 항상 최대한 하나의 프로세스만이 임계구역에서 실행할 수 있다 한 프로세스가 임계구역에 있으면 다른 프로세스는 임계구역에 진입할 수 없다 진행(Progress) Operating System 임계구역에 있는 프로세스가 없고 다른 프로세스들이 임계 구역 진입을 요구할 때에 단지 잔류 구역에서 실행되고 있지 않은 프로세스 만이 임계 구역에 진입할 수 있다 임계 구역 진입 프로세스 선택은 무기한 연기될 수 없다 Deadlock Avoidance 22 임계 구역 문제의 해결책에 대한 세 가지 요구조건(2) 한계 대기(Bounded Waiting) 하나의 프로세스가 임계 구역 진입을 요청한 후에 진입이 허용될 때까지 다른 프로세스가 임계 구역을 진입하는 회수(시간)에 한계를 두어야 한다 Operating System 그렇지 않으면 진입 요청한 프로세스는 기아상태(starvation)가 될 수 있다 23 임계 구역 문제 해결책의 분류 소프트웨어 해결책(Software solutions) 하드웨어 해결책(Hardware solutions) software algorithms who’s correctness does not rely on any other assumptions rely on some special machine instructions 운영체제 해결책(Operation System solutions) Operating System OS provide some functions and data structures to the programmer 24 소프트웨어 해결책 2개의 프로세스를 위한 해결책 n 개의 프로세스를 위한 해결책 Algorithm 1 and 2 are incorrect Algorithm 3 is correct (Peterson’s algorithm) the bakery algorithm Notation Operating System 2 processes: P0 and P1 When presenting processes, Pi, Pj always denote the other processes (i != j) 25 Algorithm 1 The shared variable turn is initialized (to 0 or 1) before executing any Pi Pi’s critical section is executed iff turn = i Pi is busy waiting if Pj is in CS: mutual exclusion is satisfied Progress requirement is not satisfied Process Pi: repeat while(turn!=i){}; CS turn:=j; RS until FALSE Ex: P0 has a large RS and P1 has a small RS. If turn=0, P0 enter its CS and then its long RS (turn=1). P1 enter its CS and then its RS (turn=0) and tries again to enter its CS: request refused! He has to wait that P0 leaves its RS. Operating System 26 Algorithm 2 Keep one BOOL variable for each process: flag[0] and flag[1] Pi signals that it is ready to enter it’s CS by: flag[i]:=true Mutual Exclusion is satisfied but not the progress requirement If we have the sequence: T0: flag[0]:=true T1: flag[1]:=true Both process will wait forever to enter their CS: we have a deadlock Operating System Process Pi: repeat flag[i]:=true; while(flag[j]){}; CS flag[i]:=false; RS until FALSE 27 Algorithm 3 (Peterson’s algorithm) Process Pi: repeat flag[i]:=true; Willingness to enter CS is turn:=j; specified by flag[i]:=true do {} while If both processes attempt (flag[j]and turn=j); to enter their CS CS simultaneously, only one flag[i]:=false; turn value will last RS Exit section: specifies that Pi is unwilling to enter CS until FALSE Initialization: flag[0]:=flag[1]:=false turn := 0 or 1 Operating System 28 Algorithm 3: proof of correctness(1) Mutual exclusion is preserved since: P0 and P1 are both in CS only if flag[0] = flag[1] = true and only if turn = i for each Pi (impossible) The progress and bounded waiting requirements are satisfied: Operating System Pi cannot enter CS only if stuck in while() with condition flag[ j] = true and turn = j. If Pj is not ready to enter CS then flag[ j] = false and Pi can then enter its CS 29 Algorithm 3: proof of correctness(2) Operating System If Pj has set flag[ j]=true and is in its while(), then either turn=i or turn=j If turn=i, then Pi enters CS. If turn=j then Pj enters CS but will then reset flag[ j]=false on exit: allowing Pi to enter CS but if Pj has time to reset flag[ j]=true, it must also set turn=i since Pi does not change value of turn while stuck in while(), Pi will enter CS after at most one CS entry by Pj (bounded waiting) 30 n-process solution: The bakery algorithm (1) Before entering their CS, each Pi receives a number. Holder of smallest number enter CS (like in bakeries, ice-cream stores...) When Pi and Pj receives the same number: if I < j then Pi is served first, else Pj is served first Pi resets its number to 0 in the exit section Notation: Operating System (a, b) < (c, d) if a < c or if a = c and b < d max(a0,…,ak) is a number b such that b >= ai for i=0,..k 31 The bakery algorithm (2) Shared data: choosing: array[0..n-1] of boolean; number: array[0..n-1] of integer; initialized to false initialized to 0 Correctness relies on the following fact: Operating System If Pi is in CS and Pk has already chosen its number[k]!= 0, then (number[i], i) < (number[k], k) 32 The bakery algorithm (3) Process Pi: repeat choosing[i]:=true; number[i]:=max(number[0]..number[n-1])+1; choosing[i]:=false; for j:=0 to n-1 do { while (choosing[j]) {}; while (number[j]!=0 and (number[j],j)<(number[i],i)){}; } CS number[i]:=0; RS until FALSE Operating System 33 소프트웨어 해결책의 단점 임계 구역에 진입하기를 원하는 프로세스는 busy waiting 한다 필요 없이 CPU 시간을 낭비한다 임계 구역이 긴 경우에는 임계 구역 진입을 기다리는 프로세스를 대기 상태로 전환하는 것( blocking)이 효과적이다 Operating System 34 하드웨어 해결책: interrupt disabling On a uniprocessor: mutual exclusion is preserved but efficiency of execution is degraded Process Pi: repeat disable interrupts while in CS, we cannot critical section interleave execution with other processes that are in enable interrupts RS remainder section On a multiprocessor: mutual until FALSE exclusion is not preserved Generally not an acceptable solution Operating System 35 하드웨어 해결책: special machine instructions 일반적으로 하나의 메모리 영역에 대한 접근은 배타적이다 하나의 메모리에 대해 동시에 여러 개의 접근이 이루어질 수 없다 명령어 확장: 같은 메모리 영역에 2 가지의 동작을 원자적으로 (atomically) 실행하는 명령어 제공 예 - reading and writing a memory location Operating System test-and-set, xchg(swap) instructions The execution of such an instruction is mutually exclusive (even with multiple CPUs) 상호배제 문제를 해결하기 위해 이용 36 test-and-set instruction(1) A C++ description of test-and-set instruction: bool testset(int& i) { if (i==0) { i=1; return true; } else { return false; } } Operating System 37 test-and-set instruction(2) An algorithm that uses testset instruction for Mutual Exclusion: Operating System Shared variable b is initialized to 0 Only the first Pi who sets b enter CS Process Pi: repeat repeat{} until testset(b); CS b:=0; RS until FALSE 38 test-and-set instruction (3) Mutual exclusion is preserved if Pi enter CS, the other Pj are busy waiting Problem: still using busy waiting When Pi exit CS, the selection of the Pj who will enter CS is arbitrary: no bounded waiting Operating System Hence starvation is possible 39 xchg instruction Processors (ex: Pentium) often provide an atomic xchg(a,b) instruction that swaps the content of a and b. void xchg(int a, int b) { int temp; temp = a; a = b; b = temp; } xchg(a,b) suffers from the same drawbacks as test-and-set instruction Operating System 40 Using xchg for mutual exclusion Shared variable b is initialized to 0 Each Pi has a local variable k The only Pi that can enter CS is the one who finds b=0 This Pi excludes all the other Pj by setting b to 1 Operating System Process Pi: repeat k:=1 repeat xchg(k,b) until k=0; CS b:=0; RS until FALSE 41 운영체제 해결책 운영체제는 프로세스 동기화를 위한 도구를 제공 Operating System 세마포어(Semaphores) 모니터(Monitors) 메시지 전송(Message Passing) 42 세마포어(Semaphores) (1) 정의 definition Busy waiting을 요구하지 않는 Synchronization tool (provided by the OS) 운영체제가 제공하는 하나의 자원 세마포어 S는 다음의 2 atomic and mutually exclusive operations에 의해서만 접근할 수 있는 정수 wait(S) signal(S) Busy waiting avoidance Operating System when a process has to wait, it will be put in a blocked queue of processes waiting for the same event 43 세마포어(Semaphores) (2) A semaphore is a record (structure): type semaphore = record count: integer; queue: list of process end; var S: semaphore; wait 연산에서 프로세스가 세마포어 S을 기다려야 할 때에는 대기 상태로 전환되어 세마포어 큐에 들어간다 signal 연산은 세마포어 큐로부터 하나의 프로세스를 꺼내어 준비 큐에 저장한다 Operating System 44 세마포어 연산 (atomic) wait(S): S.count--; if (S.count<0) { block this process place this process in S.queue } signal(S): S.count++; if (S.count<=0) { remove a process P from S.queue place this process P on ready list } S.count must be initialized to a nonnegative value (depending on application) Operating System 45 Semaphores: observations (1) S.count >=0 일 때 S.count<0 일 때 the number of processes waiting on S = |S.count| Atomicity and mutual exclusion the number of processes that can execute wait(S) without being blocked = S.count no 2 process can be in wait(S) and signal(S) (on the same S) at the same time (even with multiple CPUs) The blocks of code defining wait(S) and signal(S) are critical sections Operating System 46 Semaphores: observations (2) The critical sections defined by wait(S) and signal(S) are very short typically 10 instructions Solutions: uniprocessor: disable interrupts during these operations (i.e: for a very short period) multiprocessor: use previous software or hardware schemes Operating System This does not work on a multiprocessor machine The amount of busy waiting should be small. 47 Using semaphores for solving critical section problems n 개의 프로세스에 적용 S.count을 1로 초기화 단지 하나의 프로세스만 CS 진입이 허용된다 (mutual exclusion) S.count을 k로 초기화하면 k 개의 프로세스가 CS에 진입할 수 있다 Operating System Process Pi: repeat wait(S); CS signal(S); RS until FALSE 48 Using semaphores to synchronize processes We have 2 processes: P1 and P2 Statement S1 in P1 needs to be performed before statement S2 in P2 Then define a semaphore ‘synch’ Initialize ‘synch’ to 0 Proper synchronization is achieved by having in P1: : S1; signal(synch); : And having in P2: : wait(synch); S2; : Operating System 49 생산자/소비자 문제 (producer/consumer problem) A producer process produces information that is consumed by a consumer process 예: a print program produces characters that are consumed by a printer 생성된 정보를 사용할 때까지 저장할 buffer가 필요하다 A common paradigm for cooperating processes Operating System 50 P/C Problem: unbounded buffer(1) 1차원 배열로 구성된 무한 버퍼(unbounded buffer) 을 가지는 경우 in 은 다음에 생성된 정보를 저장할 위치를 지정 Out 은 다음에 소비될 저장하고 있는 위치를 지정 Operating System 51 P/C Problem: unbounded buffer(2) semaphore S : to perform mutual exclusion on the buffer only 1 process at a time can access the buffer semaphore N : to synchronize producer and consumer on the number N (= in - out) of items in the buffer Operating System an item can be consumed only after it has been created 52 P/C Problem: unbounded buffer(3) 생산자는 항상 자유롭게 생성된 정보를 버퍼에 추가할 수 있다 버퍼에 저장하기 전에 wait(S) 버퍼에 저장한 후에 signal(S) 생산자는 버퍼에 새로운 정보를 추가한 후에 새로운 정보가 생성되었음을 동기화 하기 위해 signal(N) 수행 소비자는 먼저 소비할 정보가 있는지를 검사하기 위해 wait(N)을 수행하고, 정보가 버퍼에 있으면 버퍼를 접근하기 위해 wait(S)/signal(S) 을 수행 Operating System 53 P/C Problem: unbounded buffer(4) - Solution Initialization: S.count:=1; N.count:=0; in:=out:=0; Operating System append(v): b[in]:=v; in++; take(): w:=b[out]; out++; return w; 54 P/C Problem: unbounded buffer(5) - Solution Producer: repeat produce v; wait(S); append(v); signal(S); signal(N); until FALSE Consumer: repeat wait(N); wait(S); w:=take(); signal(S); consume(w); until FALSE critical sections Operating System 55 P/C Problem: unbounded buffer(6) Remarks: Operating System The consumer must perform wait(N) before wait(S), otherwise deadlock occurs if consumer enter CS while the buffer is empty 56 P/C Problem: finite circular buffer(1) 저장된 정보의 수인 N이 최소한 1 이상일 때에 소비자가 버퍼 접근이 가능하다(ie. N != in – out) 생산자는 버퍼의 빈 공간의 수 E가 1 이상일 때에 버퍼에 정보를 저장할 수 있다 Operating System 57 P/C Problem: finite circular buffer(2) 필요한 세마포어: Operating System semaphore S : to have mutual exclusion on buffer access semaphore N : to synchronize producer and consumer on the number of consumable items semaphore E : to synchronize producer and consumer on the number of empty spaces 58 P/C Problem: finite circular buffer(3) - Solution Initialization: S.count:=1; N.count:=0; E.count:=k; append(v): Producer: b[in]:=v; repeat in:=(in+1) produce v; mod k; wait(E); take(): w:=b[out]; out:=(out+1) mod k; return w; Operating System wait(S); append(v); signal(S); signal(N); until FALSE critical sections in:=0; out:=0; Consumer: repeat wait(N); wait(S); w:=take(); signal(S); signal(E); consume(w); until FALSE 59 The Dining Philosophers Problem(1) 5 philosophers who only eat and think each need to use 2 forks for eating we have only 5 forks A classical synchronization problem Illustrates the difficulty of allocating resources among process without deadlock and starvation Operating System 60 The Dining Philosophers Problem(2) Each philosopher is a process Process Pi: One semaphore per fork: fork: array[0..4] of semaphores Initialization: fork[i].count:=1 for i:=0..4 A first attempt Deadlock if each philosopher start by picking his left fork! Operating System repeat think; wait(fork[i]); wait(fork[i+1 mod 5]); eat; signal(fork[i+1 mod 5]); signal(fork[i]); forever 61 The Dining Philosophers Problem(3) A solution: admit only 4 philosophers at a time that tries to eat Then 1 philosopher can always eat when the other 3 are holding 1 fork Hence, we can use another semaphore T that would limit at 4 the number of philosophers “sitting at the table” Initialize: T.count:=4 Operating System Process Pi: repeat think; wait(T); wait(fork[i]); wait(fork[i+1 mod 5]); eat; signal(fork[i+1 mod 5]); signal(fork[i]); signal(T); forever 62 이진 세마포어 (Binary semaphores) (1) 계수 세마포어(counting (or integer) semaphores) 이진 세마포어(binary semaphores) counting semaphores와 유사하나 “count”가 Boolean 값 (0 또는 1)을 가진다 일반적으로 counting semaphores 보다 사용하기 어렵다 Operating System 예 : k > 1인 값으로 초기화하기 힘들다 63 이진 세마포어 (Binary semaphores)(2) waitB(S): if (S.value = 1) { S.value := 0; } else { block this process place this process in S.queue } signalB(S): if (S.queue is empty) { S.value := 1; } else { remove a process P from S.queue place this process P on ready list Operating System } 64 Spinlocks They are counting semaphores that use busy waiting (instead of blocking) Useful on multi processors when critical sections last for a short time We then waste a bit of CPU time but we save process switch wait(S): S--; while S<0 do{}; signal(S): S++; Operating System 65 세마포어의 문제점 세마포어는 상호배제(mutual exclusion)과 프로세스 동기화에 유용한 도구 wait(S) 와 signal(S)가 여러 프로세스 사이에 분산될 수 있어 전체적인 동작을 이해하는데 어렵다 모든 프로세스에서 세마포어를 정상적으로 사용하여야 한다 Operating System 하나의 프로세스에서 세마포어 사용에 오류가 발생하면 전체 프로세스가 실패할 수 있다 66 모니터(Monitors) (1) 고급 프로그래밍 언어에서 제공하는 동기화 구조 (Synchronization Construct) 세마포어와 동일한 기능을 제공 보다 쉬운 제어 기능을 제공 많은 병행 프로그래밍 언어(Concurrent Programming Language)에서 지원 Operating System Concurrent Pascal, Modula-3, uC++, Java... 67 모니터(Monitors) (2) 다음 항목을 포함하는 소프트웨어 모듈: 지역 변수 하나 이상의 프로시듀어(procedures) 초기화 코드(initialization sequence) 모듈 구성 type monitor-name = monitor local variable declarations procedure entry P1(…) begin … end; procedure entry P2(…) begin … end; procedure entry Pn(…) begin … end; Operating System begin initialization code end 68 모니터(Monitors) (3) 모니터 동작 특징: 지역 변수는 모니터 내의 프로시저에 의해서만 접근할 수 있다 프로세스는 모니터의 프로시저 호출을 통해 모니터에 진입할 수 있다 언제나 단지 하나의 프로세스만이 모니터 안에 있을 수 있다 모니터는 상호배제(mutual exclusion)를 보장한다 프로그래머가 상호배제를 위하여 별도의 프로그램을 작성할 필요가 없다 공유 데이터 또는 자원을 모니터 안에 둠으로써 보호할 수 있다 Operating System 공유 자원을 지역 변수로 정의 69 조건 변수(Condition variables) 하나의 프로세스가 모니터 내에서 실행되기 전에 기다려야 하는 조건을 나타내는 변수 단지 모니터 내에서만 접근 가능하다 다음의 두개의 연산에 의해서만 접근 및 수정이 가능하다 병행 처리에서의 동기화 도구 cwait(a): 조건 변수 a 에 대해 호출한 함수를 대기 상태로 전환한다 csignal(a): 조건 변수 a 에 대해 대기 상태인 프로세스 중 하나의 프로세스를 선택하여 실행을 재개한다 프로그래머에 의해 프로세스 동기화에 이용된다 Operating System 70 모니터의 동작 71 대기 프로세스는 진입 큐 또는 조건 변수 큐에서 대기한다 하나의 프로세스가 cwait(cn)을 호출하여 조건 변수 cn 의 큐에서 대기하게 된다 csignal(cn)은 모니터가 조건 변수 cn 의 큐에서 하나의 프로세스을 가져와 실행하게 한다 csignal(cn)을 호출한 프로세스는 실행을 중단하고 urgent queue에서 대기한다 Operating System 생산자/소비자 프로세스 문제(1) Two types of processes: Synchronization is now confined within the monitor append(.) and take(.) are procedures within the monitor 72 producers consumers The procedures are the only means by which P/C processes can access the buffer If these procedures are correct, synchronization will be correct for all participating processes Producer_I: repeat produce v; Append(v); until FALSE Consumer_I: repeat Take(v); consume v; until FALSE Operating System 생산자/소비자 프로세스 문제(2) 버퍼를 공유하기 위해 모니터(Monitor)가 필요 buffer: array[0..k-1] of items; 두개의 조건 변수: notfull: csignal(notfull)는 버퍼가 차지 않았음을 나타낸다 notempty: csignal(notempty)는 버퍼가 비어 있지 않음을 나타낸다 버퍼 조작을 위한 포인터와 카운터: nextin: 다음 항목을 저장할 위치 포인터 nextout: 다음 항목을 가져올 위치 포인터 count: 현재 버퍼에 저장된 항목의 수 Operating System 73 생산자/소비자 프로세스 문제(3) Monitor boundedbuffer: buffer: array[0..k-1] of items; nextin:=0, nextout:=0, count:=0: integer; notfull, notempty: condition; Append(v): if (count=k) cwait(notfull); buffer[nextin]:= v; nextin:= nextin+1 mod k; count++; csignal(notempty); Take(v): if (count=0) cwait(notempty); v:= buffer[nextout]; nextout:= nextout+1 mod k; count--; csignal(notfull); Operating System 74 메시지 전송(Message Passing) 프로세스간의 통신(interprocess communication : IPC)을 위한 일반적인 방법: 하나의 컴퓨터 내의 프로세스간 통신 분산 시스템 내의 프로세스간 통신 프로세스 동기화 및 상호배제 문제를 위한 방법으로 이용 두개의 기본적인 연산: send(destination, message) receive(source, message) 위의 연산에서 프로세스는 대기상태로 전환될 수도 있고 안될 수도 있다 Operating System 75 메시지 전송을 통한 동기화 (1) 송신측: 일반적으로 send(.,.) 호출한 다음에 실행을 계속한다(non-blocking) 다수의 수신자에게 메시지 전송이 가능하다 보통 수신자가 메시지 수신 여부를 알려 주기를 기대한다 수신측: 일반적으로 receive(.,.) 호출한 다음에 메시지가 수신될 때까지 대기상태가 된다(blocking) Operating System 보통 수신자는 실행을 계속하기 위해 정보를 요구한다정보가 전송될 때까지 기다린다 송신자가 메시지를 전송 전에 실패한다면 수신자는 무한정 기다리게 된다 76 메시지 전송을 통한 동기화 (2) 다른 가능성을 제공된다 예: blocking send, blocking receive: Operating System both are blocked until the message is received occurs when the communication link is unbuffered (no message queue) provides tight synchronization (rendez-vous) 77 메시지 전송에서의 주소 지정 직접 주소 지정(direct addressing): 메시지 전송 연산에서 송신자/수신자를 위해 특정 프로세스 ID를 사용한다 간접 주소 지정(indirect addressing): Operating System 메시지는 메시지 큐로 구성된 mailbox로 전송된다 송신자는 mailbox로 메시지를 보내고, 수신자는 mailbox에서 메시지를 가져온다 좀 더 일반적이고 편한 전송 방식 78 Mailboxes and Ports A mailbox can be private to one sender/receiver pair The same mailbox can be shared among several senders and receivers Port: a mailbox associated with one receiver and multiple senders Operating System used for client/server applications: the receiver is the server 79 Ownership of ports and mailboxes Port는 수신 프로세스에 의해 생성되고 소유된다 port는 수신 프로세스가 종료하면 해제된다 Mailbox는 프로세스 요청에 의해 운영체제가 생성한다 Operating System 요청한 프로세스가 소유하게 된다 소유권을 가진 프로세스의 요청이나 종료로 인해 해제된다 80 메시지 형식(Message Format) 헤드와 메시지 본체로 구성 control information: Operating System what to do if run out of buffer space sequence numbers priority etc. 81 메시지 전송을 통한 상호배제 N 개의 프로세스가 공유할 mailbox mutex 을 생성한다 send() 는 non blocking receive()는 mutex 가 비어 있으면 blocking empty 초기화: send(mutex, “go”); receive()를 처음 호출하는 프로세스 Pi가 임계구역 (CS)에 진입한다 다른 프로세스는 Pi 가 메시지를 전송할 때가 대기한다 Operating System Process Pi: var msg: message; repeat receive(mutex,msg); CS send(mutex,msg); RS forever 82 메시지 전송을 통한 생산자/소비자 프로세스 문제(1) const capacity = …; // buffering capacity null = …; // empty message var i : integer; procedure producer; var pmsg : message; begin while true do begin receive(mayproduce, pmsg); pmsg ;= produce; send(mayconsume, pmsg); end end; procedure consumer; var cmsg : message; begin while true do begin receive(mayconsume, cmsg); consume(cmsg); send(mayproduce, null); end end; Operating System 83 메시지 전송을 통한 생산자/소비자 프로세스 문제(2) { parent process } begin create_mailbox(mayproduce); create_mailbox(mayconsume); for i=1 to capacity do send(mayproduce, null); parbegin producer; consumer; parend end Operating System 84 입력기/출력기 문제 (Readers/Writers Problem) Any number of readers may simultaneously read the file Only one writer at a time may write to the file If a writer is writing to the file, no reader may read it Operating System 85 Operating System 86 Operating System 87