Race Condition

Race Condition

Definitions

Race Condition이란 두 개 이상의 프로세스가 공통 자원을 Concurrently하게 읽거나 쓰는 동작을 할 때,

공용 데이터에 대한 접근이 어떤 순서에 따라 이루어졌는지에 따라 그 실행 결과가 같지 않고 달라지는 상황을 말한다.

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EXAMPLES

1. 커널 작업을 수행하는 중에 인터럽트 발생

문제점 : 커널 모드에서 데이터를 로드하여 작업을 수행하다가 인터럽트가 발생하여 같은 데이터를 조작하는 경우

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

2. 프로세스가 System Call을 하여 커널 모드로 진입하여 작업을 수행하는 도중 문맥 교환(Context Switching)이 발생할 때.

문제점 : 프로세스1이 커널모드에서 데이터를 조작하는 도중, 시간이 초과되어 CPU 제어권이 프로세스2로 넘어가 같은 데이터를 조작하는 경우. ( 프로세스2가 작업에 반영되지 않음 )

해결법 : 프로세스가 커널모드에서 작업을 하는 경우 시간이 초과되어도 CPU 제어권이 다른 프로세스에게 넘어가지 않도록 함.

3. 멀티 프로세서 환경에서 공유 메모리 내의 커널 데이터에 접근할 때

문제점 : 멀티 프로세서 환경에서 2개의 CPU가 동시에 커널 내부의 공유 데이터에 접근하여 조작하는 경우

해결법 : 커널 내부에 있는 각 공유 데이터에 접근할 때마다, 그 데이터에 대한 lock/unlock을 하는 방법

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Race의 뜻 그대로, 간단히 말하면 경쟁하는 상태, 즉 두 개의 스레드가 하나의 자원을 놓고 서로 사용하려고 경쟁하는 상황을 말한다.

이러한 경쟁 프로세스의 경우, 다음 세 가지 제어문제에 직면한다.

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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.

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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.

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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.

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이렇게 race condition 인 경우에는 스레드의 실행 순서를 잘 조절해주지 않으면 이상한 상태, 비정상적인 상태가 나오게 된다.

이 문제는 항상 발생하는 것이 아니라 특정한 순서대로 수행되었을 때 발생하는 것이다.

이 문제는 디버깅을 할 때에는 전혀 보이지 않는 문제점이고,

발생 시에 모든 프로세스에 원하는 결과가 발생하는 것을 보장할 수 없으므로 후에 더욱 큰 문제를 야기할 수 있으므로 반드시 피해야 하는 상황이다.

이러한 문제가 발생하지 않도록, OS는 다른 프로세스의 의도하지 않은 간섭으로부터 각 프로세스의 데이터 및 물리적 자원을 보호해야 하며

여기에 메모리, 파일 및 I/O 장치와 관련된 내용이 포함된다.

그리고 프로세스에서 수행하는 내용과 프로세스가 생성하는 결과는, 다른 동시 프로세스의 실행 속도와 무관, 즉 기능과 결과는 서로 독립적이어야 한다.

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Sources

참고1

참고2

참고3

참고4