同期とクリティカル区間

カーネルを 再入可能（reentrant） にするには、適切な同期機構が必要です。
あるカーネル実行パス（処理）が カーネルデータを利用中に一時停止 した場合、データの整合性が保証されるまで 他のカーネル実行パスが同じデータにアクセスしてはならない というルールがあります。
なぜなら、複数の処理が同じデータを同時に変更すると、情報が破損して 誤動作を引き起こす可能性 があるからです。

競合状態（Race Condition）

競合状態 とは、処理の実行順序によって結果が変わってしまう問題のことです。
以下の例で考えてみましょう。

例：共有資源の管理

あるシステムでは、利用可能な資源の数を記録する変数 を使って、複数の処理が資源を確保する仕組みになっています。
もし、適切な同期が行われていないと、以下のような問題が発生します。

1. 処理 A が開始し、資源の数を確認
   • 変数の値を読み取り、資源が「1つ残っている」と認識。
2. この直後に、処理 B も開始
   • A と同じ変数を読み取り、「まだ 1つ残っている」と判断。
3. 処理 B が資源を確保
   • 変数の値を 1 減らし、資源を使用開始。
4. 処理 A も資源を確保しようとする
   • しかし、本当はもう資源は残っていないにもかかわらず、A は「まだある」と思い込んでいる。
   • そのまま変数の値をさらに 1 減らしてしまう。
5. 結果：変数の値が「-1」になり、2つの処理が同じ資源を使用
   • 存在しない資源が使われてしまうため、システムが誤動作を起こす可能性がある。

このように、実行タイミングによってシステムの動作が変わってしまう場合、そのコードは競合状態にある といいます。

クリティカル区間（Critical Section）

上記のような競合状態を防ぐためには、データの一貫性が求められる処理を「クリティカル区間」として保護 する必要があります。

クリティカル区間とは？

• 複数の処理が同時に実行されるとデータが破損する可能性がある部分のこと。
• 1つの処理が実行中は、他の処理が同じ区間に入れないようにする必要がある。
  たとえば、変数の 読み取りと書き込みをセットで 1 つの操作（アトミック操作） にすることで、競合状態を防ぐことができます。
  しかし、カーネルのデータ構造には 1 回の操作ではアクセスできないもの も多くあります。
  たとえば、リンクリストから 1 つの要素を削除する 場合、複数のポインタを更新する必要があるため、途中で割り込まれるとデータが壊れてしまう のです。

このような場面では、クリティカル区間を適切に管理するための 同期機構 が必要になります。

カーネル内プリエンプトの禁止

競合状態を防ぐための基本的な方法 として、伝統的な UNIX カーネルの一部は カーネル内プリエンプション（preemption, 途中停止）を禁止 していました。
つまり、カーネルモードで動作中のプロセスは、強制的に停止させられることがない という仕組みです。

メリット

• 単一プロセッサ環境では簡単な解決策となる
  • 他のプロセスに切り替わらないため、カーネルのクリティカル区間を安全に実行できる。

デメリット

• マルチプロセッサ環境では不十分
  • 異なる CPU で動作する複数の処理が、同じデータに同時にアクセスする可能性がある。
  • そのため、プリエンプト禁止 だけでは同期の問題を完全には解決できない。

割り込みの禁止

もう一つの方法として、クリティカル区間に入る前にすべてのハードウェア割り込みを禁止し、クリティカル区間を抜けた後に割り込みを再許可する という手法があります。

メリット

• 割り込みが発生しないため、処理が中断されずに確実に完了できる。

デメリット

• クリティカル区間が長いと、割り込みが長時間禁止されてしまう
  • これにより、重要なハードウェア処理（タイマーやデバイス割り込み）が遅延し、システムの応答性が低下する可能性 がある。

セマフォ（Semaphore）

セマフォは、単一プロセッサ・マルチプロセッサの両方で利用できる強力な同期機構 です。
セマフォは、データに関連付けられたカウンタ であり、カーネルスレッドがデータへアクセスする前に必ず確認される仕組み になっています。

セマフォの構成要素

1. 整数型変数（カウンタ）：リソースの使用可能数を示す。
2. 待機プロセスのリスト：セマフォを取得できずにブロックされているプロセスの一覧。
3. 2つのアトミック操作

• down()（P 操作）: セマフォの値を 1 減らす。
  • 値が 0 未満ならば、プロセスは実行を停止し、待機リストに追加される。
• up()（V 操作）: セマフォの値を 1 増やす。
  • 待機リストにプロセスがあれば、1 つを解除し実行を再開する。

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