[CS] 경쟁 상태(Race Condition)

📌 공유 자원에 대해 여러 프로세스가 동시에 접근을 시도할 때, 타이밍이나 순서 등이 결과값에 영향을 줄 수 있는 상태
    → 공유 자원에 여러 프로세스가 동시에 접근할 때 자료의 일관성을 해치는 결과가 나타날 수 있음

▶️ 발생하는 경우

1. 커널 코드 실행 중에 인터럽트가 발생할 경우
   • 문제점 : 커널모드에서 데이터를 로드해 작업을 수행하다가 인터럽트가 발생해 같은 데이터를 조작하는 경우
   • 해결 : 커널모드에서 작업을 수행하는 동안 인터럽트를 disable시켜 CPU제어권을 가져가지 못하도록 함
2. 프로세스가 ‘system call’을 하여 커널모드로 진입하고 작업을 수행하는 도중 문맥 교환이 발생할 때
   • 문제점 : 프로세스 1이 커널모드에서 데이터를 조작하던 도중 시간이 초과되어 CPU제어권이 프로세스 2로 넘어가 같은 데이터를 조작하는 경우
   • 해결 : 프로세스가 커널 모드에서 작업을하는 경우에는 시간이 초과되더라도 CPU제어권이 다른 프로세스에게 넘어가지 않도록 함
3. 멀티 프로세서에서 공유 메모리 내의 커널 데이터에 접근할 경우
   • 문제점 : 멀티프로세스 환경에서 2개의 CPU가 동시에 커널 내부의 공유 데이터에 접근하여 조작하는 경우에 발생할 수 있음
4. 멀티스레드 환경에서 두 개 이상의 스레드가 공통의 전역변수에 접근할 경우 경쟁상태가 발생할 수 있음
   📌 Mutual Exclusion, Deadlock, Starvation
   1️⃣ Mutual Exclusion
     - Race condition을 막기 위해서는 두 개 이상의 프로세스가 공용 데이터에 동시에 접근하는 것을 막아야 함.
     - 즉, 한 프로세스가 공용 데이터를 사용하고 있으면 그 자원을 사용하지 못하도록 막거나, 다른 프로세스가 그 자원을 사용하지 못하도록 막으면 이 문제를 피할 수 있음
   2️⃣ Deadlock
     - 위와 같은 상호배제를 시행하면 추가적인 제어 문제가 발생
     - 프로세스가 각자 프로그램을 실행하기 위해 두 자원 모두에 엑세스 해야한다고 가정할 때, 프로세스는 두 자원 모두를 필요로 하므로 필요한 두 리소스를 사용하여 프로그램을 수행할 때까지 이미 소유한 리소스를 해제하지 않음. 이러한 상황에서 두 프로세스는 교착 상태에 빠지게 되는 문제가 발생할 수 있음
   3️⃣ Starvation
     - ‘기아 상태’라고도 함. 이러한 문제는 프로세스들이 더 이상 진행을 하지 못하고 영구적으로 블록되어 있는 상태로, 시스템 자원에 대한 경쟁도중에 발생할 수 있고, 프로세스 간의 통신 과정에도 발생할 수 있는 문제
     - 두 개 이상의 작업이 서로 상대방의 작업이 끝나기만을 기다리고 있기 때문에 결과적으로는 아무것도 완료되지 못하는 상태가 되게 됨.
   ⁉️ 해결 : 커널 내부에 있는 공유데이터에 접근할 때마다 그 데이터에 대해 lock/unlock 함으로써 해결할 수 있음
5. 👉🏻 3, 4번의 경우 Race Condition 관계는 3가지 문제에 직면

▶️ 임계 영역(Critical Section)

📌 공유 자원에 대하여 한 번에 하나의 프로세스만이 이에 접근할 수 있도록 통제해야하는데, 그러한 통제가 필요한 영역을 임계 영역이라고 부름

• 임계 영역은 입장 영역(Entry section)과 퇴장 영역(Exit section)을 기준으로 구분
  → 각 프로세스는 입장 영역에서 권한을 획득하고, 퇴장 영역에서 권한을 반환하는 식으로 통제가 이뤄짐

☑️ 임계 영역 해결 조건

• 상호 배제(Mutual Exclusion) : 어떤 프로세스가 임계 영역을 수행중이면 다른 모든 프로세스들은 그 임계 영역에 들어가지 못하게 막음
• 진행(Progress) : 임계 영역에 들어간 프로세스가 있지 않은 상태에서 임계 영역에 들어가려는 프로세스가 있으면 들어가게 해줌. 임계 영역에 있는 프로세스 외에는 다른 프로세스가 임계 영역에 진입하는 것을 방해할 수 없음
• 유한 대기(Bounded Waiting) : 기아 문제를 방지하기 위해 프로세스가 임계 영역에 들어가려고 요청한 후부터 다른 프로세스들이 임계 영역에 들어가는 횟수에 한계가 있어야 함

☑️ 임계 영역 해결 방법

• 유저 모드 동기화 : 커널 코드가 실행되지 않는 동기화 기법. 피터슨 알고리즘(Pterson’s Algorithm)이 있음
• 커널 모드 동기화 : 커널에서 제공하는 동기화 기능을 활용하는 방법. 각 프로세스들 안의 스레들끼리의 동기화도 가능
  • 세마포어, 뮤텍스, 모니터 등의 방법