병렬 프로세싱과 동기화 개념

개요

• 목적: 시퀀셜 코드에서 병렬 실행을 가능하게 하는 선행 그래프와 포크‑조인 모델을 소개하고, 공유 자원을 안전하게 다루는 상호 배제와 생산자‑소비자 문제를 해결하는 방법을 설명한다.
• 대상: 운영체제·병렬 프로세싱 수업에서 사용되는 핵심 개념을 빠르게 복습하고자 하는 학습자.

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핵심 개념

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상세 내용

1. 선행 그래프

• 정의: 명령어 간의 선후 관계를 표현한 방향 그래프.
• 특징:
  • S1, S2는 병행 가능 → 동시에 실행 가능.
  • S3는 S1, S2가 끝난 뒤 실행.
  • S5, S6는 S4 이후에 실행.
  • S7은 S5, S6, S3이 모두 끝난 뒤 실행.
• 사이클 방지: 그래프에 순환이 있으면 선행 관계가 모순 → 비순환이 필수.

2. 포크‑조인 모델

• 포크 (Fork):
  • 부모 프로세스가 자식 프로세스를 생성.
  • fork L1 같은 명령으로 같은 코드 흐름을 두 프로세스에 복제.
• 조인 (Join):
  • 지정된 수의 프로세스가 끝날 때까지 대기.
  • 예: join 2 → 두 프로세스가 끝날 때까지 기다림.
  • 내부 구현: count를 감소시키며 0이 되면 실행 재개.
• 예시: fork L1 // 부모: S2 실행 // 자식: S3 실행 join 2 S4 실행

3. 상호 배제 구현

• 자물쇠·키:
  • 진입: 키가 있는지 확인 → 없으면 대기.
  • 출구: 사용 후 키 반납.
  • 동작: 진입과 출구는 한 머신 사이클 내에서 원자적으로 수행.
• 임계 영역:
  • 공유 자원 접근 구간.
  • turn 변수를 사용해 공정성 보장.
• 예시 코드(가상): while(key == 0) { /* 대기 */ } key = 0; // 잠그기 critical_section(); key = 1; // 반납

4. 생산자‑소비자 문제

• 구성:
  • 버퍼: 고정 크기 배열.
  • 포인터: in, out 위치.
  • 카운터: 버퍼에 저장된 항목 수.
• 연산:
  • in = (in + 1) mod BUFSIZE
  • out = (out + 1) mod BUFSIZE
• 동기화:
  • 생산자: 버퍼가 가득하면 대기.
  • 소비자: 버퍼가 비어 있으면 대기.
• 핵심: 모드 연산으로 순환 버퍼 구현.

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결론

• 선행 그래프는 병렬 실행 가능 영역을 시각화하고, 포크‑조인은 실제 코드로 변환한다.
• 상호 배제는 공유 자원의 무결성을 보장하며, 생산자‑소비자 문제는 실시간 버퍼 교환 예제로 동기화 메커니즘을 확인한다.
• 이 모든 개념은 병렬 프로세싱에서 성능과 안정성을 동시에 달성하기 위한 기초이다.