[CS 스터디] 1. 운영체제 - 데드락(DeadLock) & 경쟁 상태 (Race Condition)

데드락 (DeadLock, 교착 상태)

두 개 이상의 프로세스나 스레드가 서로 자원을 얻지 못해서 다음 처리를 하지 못하는 상태
무한히 다음 자원을 기다리게 되는 상태를 말한다
시스템적으로 한정된 자원을 여러 곳에서 사용하려고 할 때 발생
마치 외나무 다리의 양 끝에서 서로가 비켜주기를 기다리고만 있는 것과 같다

• 데드락이 일어나는 경우
  

프로세스 1과 2가 자원 1, 2를 모두 얻어야 한다고 가정해보자

t1: 프로세스1이 자원1을 얻음 / 프로세스2가 자원2를 얻음
t2: 프로세스1은 자원2를 기다림 / 프로세스2는 자원1을 기다림

현재 서로 원하는 자원이 상대방에 할당되어 있어서 두 프로세스는 무한정 wait 상태에 빠짐
-> 이것이 바로 DeadLock!

• 주로 발생하는 경우

  멀티 프로그래밍 환경에서 한정된 자원을 얻기 위해 서로 경쟁하는 상황 발생
  한 프로세스가 자원을 요청했을 때, 동시에 그 자원을 사용할 수 없는 상황이 발생할 수 있음. 이 때 프로세스는 대기 상태로 들어감
  대기 상태로 들어간 프로세스들이 실행 상태로 변경될 수 없을 때 '교착 상태' 발생

• 데드락(DeadLock) 발생 조건

  4가지 모두 성립해야 데드락 발생
  (하나라도 성립하지 않으면 데드락 문제 해결 가능)

1. 상호 배제(Mutual exclusion)
   자원은 한 번에 한 프로세스만 사용할 수 있음
2. 점유 대기(Hold and wait)
   최소한 하나의 자원을 점유하고 있으면서 다른 프로세스에 할당되어 사용하고 있는 자원을 추가로 점유하기 위해 대기하는 프로세스가 존재해야 함
3. 비선점(No preemption)
   다른 프로세스에 할당된 자원은 사용이 끝날 때까지 강제로 빼앗을 수 없음
4. 순환 대기(Circular wait)
   프로세스의 집합에서 순환 형태로 자원을 대기하고 있어야 함

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• 데드락(DeadLock) 처리

교착 상태를 예방 & 회피

1. 예방(prevention)
   교착 상태 발생 조건 중 하나를 제거하면서 해결한다 (자원 낭비 엄청 심함)
   • 상호배제 부정: 여러 프로세스가 공유 자원 사용
   • 점유대기 부정: 프로세스 실행 전 모든 자원을 할당
   • 비선점 부정: 자원 점유 중인 프로세스가 다른 자원을 요구할 때 가진 자원 반납
   • 순환대기 부정: 자원에 고유번호 할당 후 순서대로 자원 요구
2. 회피(avoidance)
   교착 상태 발생 시 피해나가는 방법
   • 은행원 알고리즘(Banker's Algorithm)
     - 은행에서 모든 고객의 요구가 충족되도록 현금을 할당하는데서 유래
     • 프로세스가 자원을 요구할 때, 시스템은 자원을 할당한 후에도 안정 상태로 남아있게 되는지 사전에 검사하여 교착 상태 회피
     • 안정 상태면 자원 할당, 아니면 다른 프로세스들이 자원 해지까지 대기

교착 상태를 탐지 & 회복
교착 상태가 되도록 허용한 다음 회복시키는 방법

1. 탐지(Detection)
   자원 할당 그래프를 통해 교착 상태를 탐지함
   자원 요청 시, 탐지 알고리즘을 실행시켜 그에 대한 오버헤드 발생함
2. 회복(Recovery)
   교착 상태 일으킨 프로세스를 종료하거나, 할당된 자원을 해제시켜 회복시키는 방법
   • 프로세스 종료 방법
     - 교착 상태의 프로세스를 모두 중지
     • 교착 상태가 제거될 때까지 하나씩 프로세스 중지
   • 자원 선점 방법
     - 교착 상태의 프로세스가 점유하고 있는 자원을 선점해 다른 프로세스에게 할당 (해당 프로세스 일시정지 시킴)
     • 우선 순위가 낮은 프로세스나 수행 횟수 적은 프로세스 위주로 프로세스 자원 선점

• 철학자 문제
  기아상태를 설명
  • 교착 상태 해결책
  1. n명이 앉을 수 있는 테이블에서 철학자를 n-1명만 앉힘
  2. 한 철학자가 젓가락 두개를 모두 잡을 수 있는 상황에서만 젓가락 집도록 허용
  3. 누군가는 왼쪽 젓가락을 먼저 집지 않고 오른쪽 젓가락을 먼저 집도록 허용

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경쟁 상태 (Race Condition)

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

동시 접근 시 자료의 일관성을 해치는 결과가 나타남

Race Condition이 발생하는 경우

1. 커널 작업을 수행하는 중에 인터럽트 발생
   • 문제점: 커널모드에서 데이터를 로드하여 작업을 수행하다가 인터럽트가 발생하여 같은 데이터를 조작하는 경우
   • 해결법: 커널모드에서 작업을 수행하는 동안, 인터럽트를 disable 시켜 CPU 제어권을 가져가지 모하도록 한다.
2. 프로세스가 'System Call'을 하여 커널 모드로 진입하여 작업을 수행하는 도중 문맥 교환이 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

출처

gyoogle님의 Tech Interview