[OS / 운영체제] Mutex, Semaphores, Monitors

Mutex 

Mutex의 값이 1이면 들어가도 된다. Boolean variable의 뜻은 Available하다는 것을 가진다. True이면 들어와도 된다! 초기화를 True로 설정을 해야 한다. 하지만 아무나 접근할 수 없다. Atomic Operation을 통해서만 바꿀 수 있다. Class의 Private 변수로 선언을 하는 것과 동일하다. acquire는 Entry section에서 사용되는 함수이다. 누가 들어가 있는지 확인을 해야 한다. release 함수는 Exit function이다. 다음 친구가 들어와도 된다고 하는 풀어주는 구역이다.

acquire 함수

available의 값이 처음에 true이므로 while 문을 통과하게 된다. 그러면서 available가 false로 바뀌게 된다. 이미 들어와있으므로 아무도 들어오면 안된다고 바꾸는 것을 의미한다. acquire 자체가 critical section 앞에서 호출되는 함수이므로 available = false로 만드는 과정이 함께 진행된다. 2번 Process가 들어오게 되면 acquire를 호출하게 된다. while을 통과하지 못하고 wait하게 된다. 이렇게 Mutual Exclusion을 만족하게 된다. P1이 나올 때 release 함수를 호출한다. available의 값을 true로 바꾸게 된다. P2의 입장에서는 while 문을 깨뜨리고 통과하게 된다. 그 순간에 available을 false로 만들게 된다. 이 이유는 Mutual Exclusion을 만족하게 하기 위함이다. 각각의 acquire함수와 release 함수는 Atomic Operation이어야 한다. knocking과 locking 사이의 Gap이 있어서는 안된다. (acquire의 함수 이름이 lock() wait()으로 사용되기도 한다.) (release() 함수의 경우 unlock()과 signal()의 이름으로 불리기도 한다)

 

Mutex Locks

Entry Section에서 Acquire를 호출한다. Exit section에서는 Release함수를 호출한다. 

 

Semaphores

주차할 수 있는 공간이 3개가 있으면 한 대만 들어왔다고 Lock을 해버리면 안된다. semaphore에서는 Integer 변수를 사용한다. 지금 사용할 수 있는 Resource가 몇 개 남아있는지를 숫자로 나타내준다. 초기 상태가 S = 2 라고 가정을 해보자. P1이 들어온다. 그 순간 S = 2인 상태로 while문이 false가 돼서 통과하게 된다. 그러면서 S의 값을 1 만큼 줄이게 된다. 이 상황에서 P2가 들어온다. while의 조건이 false가 돼서 P2도 들어갈 수 있게 된다. P3가 들어오는 경우 while문이 true가 되므로 whlie문을 통과할 수 없다. P1이 나갈 때 Signal을 호출해서 S를 1로 증가시키게 되고 그 순간 P3가 while문을 통과해서 들어오게 된다. Shared Resource가 하나가 아닌 경우 존재한다. 

 

Implementation of Semaphore

busy waiting 이란? 기다리는 Process가 계속적으로 S 변수를 쳐다보고 있는 상황이 된다. CPU를 계속적으로 소모하게 된다. Block이라는 기법을 사용해야 한다. Process 자체를 Ready Queue에서 꺼내는 것이다. Waiting State로 바꾸는 것이다. 이 경우 더 이상 CPU Time을 Waste 하지 않게 할 수 있다. Waiting Queue에서 기다려야 한다. 이는 PCB로 구성된 Linked List이다. 

 

Implementation of Semaphore

semaphore Structure 안에 Integer 변수가 하나 있고 struct process의 타입은 PCB의 타입이 된다. Linked List를 갖기 위해서는 Head Pointer를 가지고 있어야 한다. *list는 head를 저장하는 포인터에 해당한다. 

wait()

black은 더 이상 CPU Time Waste를 하지 않도록 Waiting State로 변경하는 것을 의미한다. 초기값을 S = 2 이라고 생각을 해보자. S = 1로 변하고 if문을 실행하지 않게 된다. P2의 경우 S = 0이 되고 if문이 실행할 수 없다. P3의 경우 S = -1이 되고 if문을 실행할 수 있게 된다. P3를 linked list에 추가를 하고 block()을 호출해서 CPU Time을 받지 않고 Waiting State로 빠지게 만들 수 있다. S가 Minus가 되면 현재 Block된 Process의 개수를 의미한다. 

Signal()

P1이 나가면 S = -1 이 되고 list에서 하나를 꺼내서 P에 넣는다. wakeup(p)를 하게 되면 Waiting State에서 Ready State로 변하게 된다. wakeup()을 해서 깨게 되면 Block 이후부터 실행을 재개하게 된다. wakeup() 이후부터 실행하는 것이 아니라 wait() 함수의 block() 이후부터 실행된다. 

Semaphore Instruction은 반드시 function으로 구현되어야 하는데 어떻게 Atomic 하게 구현되게 할 수 있을까?? 

 

Implementation of Semaphore

Atomic 하게 만든다는 것의 대상은 Critical Section의 Atomic이 아니다. 여기서는 Wait과 Signal Function에서의 Atomic 한 것을 의미한다. CPU가 하나 밖에 없다면 Interrupt를 Disable하면 된다. (Single Processor인 경우) 만약 2개 이상의 CPU라면 Interrupt Disable이 Atomic을 보장하지 못한다. Atomic 한 것을 보장하기 위해서 Spinlock을 사용한다. 이전의 Spinlock은 이전의 Process가 Exit할 때까지의 시간이고 지금의 Spinlock은 Wait과 Signal 함수 자체의 시간이므로 훨씬 적게 걸린다. 

Atomic Function은 중간 상태가 없다라는 것이고 Mutual Exclusion은 누구 하나가 들어오면 다른 하나가 들어올 수 없다이다. 정의가 다르다. 

 

Monitors

semaphore를 사용할 수 있지만 이 역시 Low level이라고 말한다. low level의 경우 잘 못 호출하면 작동을 못할 수도 있다. 

 

Syntax of Monitor

Mutual Exclusion이 자동적으로 보장되는 Class라고 생각하면 된다. (***********)