7 장 프로세스 동기화 II

1. 7장 프로세스 동기화 II 2014-09-30

2. 7.5 동기화의 전통적 문제 • 유한 버퍼 문제 전제조건 : 버퍼풀은 n개로 구성되어 있으며, 각각은 하나의 항목을 보관할 수 있다. • Mutex세마포어 • 버퍼풀에 접근하기 위한 상호배제 • 값은 1로 초기화 • Empty와 full세마포어 • 계속하여 버퍼가 empty와 full 인지를 계산 • 세마포어 empty 는 값 n으로 초기화 • 세마포어 full 은 값0으로 초기화

3. 7.5 Classical Problem of Synchronization • 생산자 프로세스의 구조 do {     Produce an item in nextp     wait( empty ); //Notify getting resources to another processes wait( mutex ); //Get mutual exclusion about resource     add nextp to buffer//Produce full buffers for the consumer     signal( mutex ); //Release mutual exclusion signal( full ); //Notify releasing resources } while (1)

4. 7.5 Classical Problem of Synchronization • 소비자 프로세스 구조 do { wait(full); //Notify getting resources to another processes wait(mutex); //Get mutual exclusion about resource     remove an item from buffer to nextc     Produce empty buffers for the producer signal(mutex);//Release mutual exclusion signal(empty);// Notify releasing resources     consume the item in nextc     } while(1)

5. 7.5 Classical Problem of Synchronization • readers-writers 문제 (1) • 데이터 객체(file or record 등)는 여러 개의 병행 프로세스에 의해서 공유된다. • 프로세스의 두가지 형태 • Reader : 읽기만 하는 프로세스 • Writer : 읽고 쓰는 프로세스 • 만약 writer 와 함께 다른 프로세스(reader 혹은 writer) 가 동시에 공유 객체에 접근할 경우 Chaos reader-writer problem • 1st readers-writers 문제 Solution : writer가 공유 객체에 대한 권한을 받은 경우가 아니면 reader는 기다리지 않는다. • 2nd readers-writers 문제 Solution : writer는 준비되면 최대한 빨리 실행한다. Writer가 기다리면, 새로운 reader는 허용되지 않는다.

6. 7.5 Classical Problem of Synchronization • readers-writers 문제 (2) • 각 해결책은 starvation을 야기시킬 수 있다. • 1st case - Writers’ starvation 2nd case - Readers’ starvation • 해결책 • 첫번째 해결책에 starvation이 없는 방법 제시 semaphoremutex, wrt; int readcount; mutex, wrt – 세마포어이며 값는 1로 초기화 readcount – 값은 0으로 초기화 • wrtsemaphore : reader와 writer에게 공용 writer 프로세스는 상호배제 • mutexsemaphore : readcount가 수정될 때 상호배제를 보증 • readcount : 객체를 읽은 프로세스 수

7. 7.5 Classical Problem of Synchronization • writer 프로세스 구조 wait( wrt );     writing is performed     signal( wrt ); • reader 프로세스 구조 wait( mutex ); readcount++; if (readcount == 1) wait( wrt ); signal( mutex ); · · · · reading is performed · · · · wait( mutex ); readcount--; if (readcount == 0) signal( wrt ); signal( mutex );

8. 7.5.3 철학자들의 만찬 문제 • 전통적인 동기화 문제 • Allocate several resources among several processes in a deadlock and starvation-free manner • 5명의 철학자는 단지 생각하고 먹기만 한다. • 다섯개의 밥그릇과 젓가락이 있다. • 철학자는 한번에 하나의 젓가락을 집을 수 있다. • 철학자는 동시에 두개의 젓가락을 모두 잡았을 때 식사를 할수 있고, 식사중에는 젓가락을 놓지 않는다.

9. 7.5 The Dining-Philosophers Problem • 해결책 1 • 각 젓가락의 세마포어 값을 1로 초기화 • 젓가락 잡기 - a wait operation on that semaphore • 젓가락 놓기 - a signal operation on the appropriate semaphores • 이웃하는 두사람이 동시에 식사하지 않는다고 보장한다. 그러나 이 해결책은 교착상태를 발생시킬 가능성이 있다.  All philosophers grab their left chopsticks simultaneously,  All the element of chopstick will be 0  When each philosopher tries to grab her right chopstick, she will be delayed forever  Need some remedies against the deadlock

10. 7.5 The Dining-Philosophers Problem • 교착상태 문제의 해결책 • 동시에 테이블에 앉을 수 있는 철학자 수는 4로 한다. • 철학자는 두개의 젓가락을 모두 잡을 수 있는 경우에만 잡는것을 허용한다. • 비동기식 해결 : • 홀수번째 철학자는 왼쪽을 먼저 집고 오른쪽을 집도록 한다. • 짝수 번째 철학자는 오른쪽을 먼저 잡고 왼쪽을 잡도록 한다. Any satisfactory solution must guard against the possibility of starvation. A deadlock-free solution does not necessarily eliminate the possibility of starvation

11. 7.6 임계영역(Critical Regions) • Various difficulties (Semaphore) • (Suppose) A process interchanges the order signal(mutex); … critical section … wait(mutex); • mutual-exclusion 요구사항을 위반 • 항상 재현가능한 상황이 아님

12. 7.6 Critical Regions • (Suppose) replaces signal(mutex) with wait(mutex) wait(mutex); … critical section …. wait(mutex) • Deadlock will occur • (Suppose) process omits the wait(mutex), or the signal(mutex), or both • 상호배제(Mutual exclusion) 위반 • 교착상태(deadlock) 발생

13. 7.6 Critical Regions • Fundamental high level synchronization construct • Critical region(conditional critical region) • Monitor • Critical region • Encapsulation • 프로세스가 다른 프로세스의 지역 데이터에 직접 접근하지 못함 • 그러나 프로세스는 전역 데이터를 공유할 수 있음. • Variable v of type T • 다음과 같이 선언 • v : sharedT; • 변수 v 는 region 내에서만 접근 가능 • regionvwhenBdoS; • expression B : Boolean expression • When a process tries the enter the critical-section region,B is evaluated

14. 7.6 Critical Regions • Distinct sequential processes(별개의 순차 프로세스) regionvwhen (true)S1; regionvwhen (true)S2; • “S1 followed by S2” or “S2 followed by S1” • Let us code the bounded-buffer scheme • The buffer space and its pointers are encapsulated in structbuffer { item pool[n] ; int count, in, out ; };

15. 7.6 Critical Regions • The producer process regionbufferwhen (count < n) { pool[in] = nextp ; in = (in+1) % n; count++; } • The consumer process regionbufferwhen (count > 0) { nextc = pool[out] out = (out +1) mod n; count--; end;

16. 7.6 Critical Regions • How the conditional critical region could be Implemented by a compiler • shared variable semaphore mutex, first_delay, second_delay ; int first_count, second_count

17. 7.6 Critical Regions wait(mutex); while ( !B ) { first_count++; if (second_count > 0) signal(second_delay) else signal(mutex); wait(first_delay); first_count--; second_count++; if (first_count > 0) signal(first_delay) else signal(second_delay); wait(second_delay); second-count --; } S; if (first_count) > 0 signal(first_delay); else if (second_count )> 0 signal(second_delay); else signal(mutex); region x when (B)S; Implementation of the conditional-region construct

18. 7.7 Monitors • Monitor • Characterized by a set of programmer-defined operators • The syntax of a monitor • Monitor Structure . . procedurebodyP1( … ) { … } { initialization code } monitormonitor-name { shared variable declarations procedurebodyP1( … ) { … } prodedurebodyP2( … { … } . .

19. 7.7 Monitors • Monitor type • cannot be used directly by the various processes. • Monitor construct • Only one process at a time can be active within the monitor • Programmer • Don’t need to code the synchronization 공유 데이터 진입 큐 연산들 초기화 코드 조건변수를 갖는 모니터

20. 7.7 Monitors • Variable and operation • condition x,y ; • Operation • x.wait(); • suspend • x.signal(); • resume • Example • Two processes P and Q • When the x.signal operation is invoked by a process P, there is a suspended process Q associated with condition x. • If the suspended process Q is allowed to resume its execution, the signaling process P must wait. P : active (x.signal) Q suspended Q Resume P Wait

21. 7.7 Monitors • Process-resumption • FCFS ordering • The longest is resumed first • Too simple • Conditional-wait • x.wait( c ); • c : priority number • The smallest associated priority number is resumed next • Example • Controls the allocation of a single resource among competing processes.

22. 7.7 Monitors • A monitor to allocate a single resource monitor dp { enum { thinking, hungry, eating} state[5]; condition self[5]; void pickup (int i) { state[i] = hungry; test(i); if ( state[i] != eating) self[i].wait(); } void putdown (int i) { state[i] = thinking; test((i + 4) % 5); test((i + 1) % 5); } void test (int i) { if ( state[ (i+4) % 5 ] != eating) && ( state[ i ] == hungry) && ( state[ (i+1) % 5 ] != eating)) state [i] = eating; self[i].signal(); } } void init() { for (int i = 0; i < 5; i++) state[i] = thinking; } }

23. 7.7 Monitors • Sequence R.acquire(t); … access the resource; ... R.release; (R is an instance of type resource-allocation) • The monitor concept cannot guarantee that the preceding access sequences will be observed • Access the resouce without gaining access permission to that resource • Never release the resource once it has been granted access to that resource • Attempt to release a resource that it never requested • Request the same resource twice ( without first releasing that resource)