[운영체제] 경쟁 상태(Race Condition)

✔︎ 경쟁 상태(Race Condition)란 ?

공유 자원에 대해 여러 프로세스가 동시에 접근할 때 결과값에 영향을 줄 수 있는 상태

동시 접근 시 자료의 일관성을 해치는 결과가 나타날 수 있다. 

경쟁 상태도 교착 상태의 종류 중에 하나이다.

✔︎ Race Condition이 발생하는 경우

1. 커널 작업을 수행하는 중에 인터럽트 발생

문제점 : 커널 모드에서 데이터를 로드해 작업을 수행하다가 인터럽트가 발생해 같은 데이터를 조작하는 경우

해결법 : 커널모드에서 작업을 수행하는 동안 인터럽트를 disable 시켜 CPU 제어권을 가져가지 못하도록 한다. 

 

2. 프로세스가 'System Call'을 하여 커널 모드로 진입하고 작업을 수행하는 도중 문맥 교환이 발생할 때 

문제점 : 프로세스1이 커널모드에서 데이터를 조작하던 도중 시간이 초과되어 CPU제어권이 프로세스2로 넘어가 같은 데이터를 조작하는 경우
해결법 : 프로세스가 커널모드에서 작업을 하는 경우에는 시간이 초과되더라도 CPU 제어권이 다른 프로세스에게 넘어가지 않도록 한다.

 

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 있다.

 

4. 멀티 스레드 환경에서 두개 이상의 스레드가 공통의 전역변수에 접근할 경우 

 

3, 4번의 경우 Race Condition 관계는 3가지 문제에 직면한다.

Mutual exclusion, deadlock, starvation

① Mutual exclusion

Race condition을 막기 위해서는 두 개 이상의 프로세스가 공용 데이터에 동시에 접근을 하는 것을 막아야 한다. 

즉, 한 프로세스가 공용 데이터를 사용하고 있으면 그 자원을 사용하지 못하도록 막거나, 다른 프로세스가 그 자원을 사용하지 못하도록 막으면 이 문제를 피할 수 있다. 이것을 상호 배제(mutual exclusion)라고 부른다.

 

② Deadlock

그러나 위와 같은 상호 배제를 시행하면 추가적인 제어 문제가 발생한다. 하나는 교착상태 즉 여기서 말하는 Deadlock이다. 

프로세스가 각자 프로그램을 실행하기 위해 두 자원 모두에 엑세스 해야 한다고 가정할 때 프로세스는 두 자원 모두를 필요로 하므로 필요한 두 리소스를 사용하여 프로그램을 수행할 때까지 이미 소유한 리소스를 해제하지 않는다. 이러한 상황에서 두 프로세스는 교착 상태에 빠지게 되는 문제가 발생할 수 있다.

 

③ Starvation

이 제어 문제는 ‘기아 상태’라고도 한다. 이러한 문제는 프로세스들이 더 이상 진행을 하지 못하고 영구적으로 블록되어 있는 상태로, 시스템 자원에 대한 경쟁 도중에 발생할 수 있고 프로세스 간의 통신 과정에도 발생할 수 있는 문제이다. 

두 개 이상의 작업이 서로 상대방의 작업이 끝나기만을 기다리고 있기 때문에 결과적으로는 아무것도 완료되지 못하는 상태가 되게 된다.

 

해결법 : 커널 내부에 있는 각 공유 데이터에 접근할 때마다 그 데이터에 대해 lock/unlock함으로써 해결할 수 있다.

 

더 자세한 내용을 다음 글을 통해 확인하자 

 

 

참고

https://korshika.tistory.com/150

https://velog.io/@klloo/%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C-%EA%B2%BD%EC%9F%81-%EC%83%81%ED%83%9C-Race-Condition