생산자와 소비자 문제 및 공유 자원과 임계 구역

생산자와 소비자 문제 및 공유 자원과 임계 구역

이 글에서는 상호 배제를 위한 동기화의 개념을 이해하기 위해 고전적인 사례인 생산자와 소비자 문제를 살펴보고, 이어서 공유 자원과 임계 구역, 그리고 이로 인해 발생할 수 있는 레이스 컨디션에 대해 논의합니다.

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1. 생산자와 소비자 문제

생산자와 소비자 문제는 두 프로세스(또는 스레드)가 공유된 버퍼에 데이터를 추가하거나 제거할 때 발생하는 전형적인 동기화 이슈입니다.

• 생산자 (Producer):
  버퍼에 데이터를 넣고, 공유 변수인 총합을 1 증가시킵니다.
• 소비자 (Consumer):
  버퍼에서 데이터를 제거하고, 총합을 1 감소시킵니다.

두 프로세스는 동일한 총합 변수를 공유하기 때문에, 초기에 물건이 10개 있을 경우 총합은 10으로 설정됩니다.

(그림 출처: 혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제)

예를 들어, 생산자와 소비자를 각각 100,000번씩 동시에 실행한다고 가정하면, 논리적으로는 버퍼 내의 물건 수가 항상 10개로 유지되어야 합니다.
하지만 실제 동시 실행에서는 총합의 값이 10이 아닌 다른 값이 되거나 실행 중 오류가 발생할 수 있습니다.

(그림 출처: 혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제)

(그림 출처: 혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제)

이러한 문제는 두 프로세스가 동시에 공유 변수 총합에 접근하여 값을 변경함으로써 발생합니다.

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2. 공유 자원과 임계 구역

공유 자원 (Shared Resource)

공유 자원은 여러 프로세스가 동시에 접근할 수 있는 자원입니다.
예시:

• 전역 변수 (예: 잔액, 총합)
• 파일, 입출력 장치
• 보조 기억 장치 등

동시에 접근할 경우, 데이터의 일관성이 보장되지 않아 시스템 오류나 예기치 못한 결과를 초래할 수 있습니다.

임계 구역 (Critical Section)

임계 구역은 공유 자원에 접근하는 코드의 일부로, 동시 접근이 허용되지 않는 영역입니다.
한 프로세스가 임계 구역에 들어가면, 다른 프로세스는 해당 영역에 진입하지 못하도록 해야 합니다.

(그림 출처: 혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제)

• 문제의 원인:
  고급 언어 한 줄의 명령어(예: 총합 = 총합 + 1)도 내부적으로는 읽기, 연산, 쓰기의 여러 단계로 나뉩니다.
  각 단계 사이에 문맥 전환(context switch)이 발생하면, 한 프로세스의 중간 결과가 다른 프로세스에 의해 수정되어 데이터 불일치가 발생할 수 있습니다.
• 레이스 컨디션 (Race Condition):
  임계 구역에 여러 프로세스가 동시에 접근하여 실행 순서에 따라 결과가 달라지는 상황을 의미합니다.
  이는 데이터의 일관성 문제를 야기하며, 시스템의 신뢰성을 떨어뜨립니다.

(그림 출처: 혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제)

(그림 출처: 혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제)

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3. 결론

생산자와 소비자 문제는 단순한 개념처럼 보일 수 있으나, 실제 동시 실행 환경에서는
공유 자원에 대한 비원자적 접근, 문맥 전환 및 복잡한 동기화 이슈로 인해
데이터 불일치와 시스템 오류가 발생할 수 있습니다.
운영체제는 상호 배제, 진행, 유한 대기와 같은 원칙을 통해
이러한 문제를 해결하며, 뮤텍스, 세마포어, 모니터 등 다양한 동기화 기법을 제공하여
안정적인 멀티프로세싱/멀티스레딩 환경을 구축합니다.

이와 같은 동기화 전략과 메커니즘은 현대의 복잡한 컴퓨팅 환경에서 필수적인 요소이며,
시스템의 신뢰성과 효율성을 보장하기 위한 핵심 기술입니다.