💫 Deadlock

✨ The Deadlock Problem

• Deadlock
  • 일련의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 block된 상태
• Resource(자원)
  • 하드웨어, 소프트웨어 등을 포함하는 개념
  • ex) I/O device, CPU cycle, memory space, semaphore 등
  • 프로세스가 자원을 사용하는 절차
    • Request, Allocate, Use, Release
• Deadlock Example 1
  • 시스템에 2개의 tape drive가 있다
  • 프로세스 P₁과 P₂ 각각이 하나의 tape drive를 보유한 채 다른 하나를 기다리고 있다.
• Deadlock Example 2
  • Binary semaphores A and B

✨ Deadlock 발생의 4가지 조건

Mutual exclusion(상호 배제)

• 매 순간 하나의 프로세스만이 자원을 사용할 수 있음

No preemption(비선점)

• 프로세스는 자원을 스스로 내어놓을 뿐 강제로 빼앗기지 않음

Hold and wait(보유 대기)

• 자원을 가진 프로세스가 다른 자원을 기다릴 때 보유 자원을 놓지 않고 계속 가지고 있음

Circular wait(순환 대기)

• 자원을 기다리는 프로세스간에 사이클이 형성되어야 함
• 프로세스 P0, P1, ..., Pn 이 있을 때 P0은 P1이 가진 자원을 기다림 P1은 P2가 가진 자원을 기다림 Pn-1은 Pn이 가진 자원을 기다림 Pn은 P0이 가진 자원을 기다림
  

✨ Resource-Allocation Graph (자원할당그래프)

• Vertex
  • Process P = {P1, P2, ..., Pn}
  • Resource R = {R1, R2, ..., Rn}
• Edge
  • request edge Pi → Rj
  • assignment edge Rj → Pi
• 그래프에 cycle이 없으면 deadlock이 아니다
• 그래프에 cycle이 있으면
  • if only one instance per resource type, then deadlock (자원 당 인스턴스가 하나밖에 없으면 cycle은 곧 deadlock을 의미)
    
  • if several instances per resource type, possibility of deadlock (자원에 인스턴스가 여러개라면 deadlock일 수도 있고, 아닐 수도 있다)
    
• 왼쪽 그림은 R2에 자원이 2개가 있어도 싸이클이 2개이므로 Deadlock 임

✨ Deadlock의 처리 방법

Deadlock Prevention

• 자원 할당 시 Deadlock의 4가지 필요 조건 중 어느 하나가 만족되지 않도록 하는 것

Deadlock Avoidance

• 자원 요청에 대한 부가적인 정보를 이용해서 deadlock의 가능성이 없는 경우에만 자원을 할당
• 시스템 state가 원래 state로 돌아올 수 있는 경우에만 자원 할당

Deadlock Detection and recovery

• Deadlock 발생은 허용하되 그에 대한 detection 루틴을 두어 deadlcok 발견시 recover

Deadlock Ignorance

• Deadlock 을 시스템이 책임지지 않음
• UNIX를 포함한 대부분의 OS가 채택

📢 Deadlock Prevention

• Mutual Exclusion
  • 공유해서는 안되는 자원의 경우 반드시 성립해야 함
• Hold and Wait
  • 프로세스가 자원을 요청할 때 다른 어떤 자원도 가지고 있지 않아야 한다
  • 방법 1. 프로세스 시작 시 모든 필요한 자원을 할당받게 하는 방법
  • 방법 2. 자원이 필요할 경우 보유 자원을 모두 놓고 다시 요청
• No Preemption
  • process가 어떤 자원을 기다려야 하는 경우 이미 보유한 자원이 선점됨
  • 모든 필요한 자원을 얻을 수 있을 때 그 프로세스는 다시 시작된다
  • State를 쉽게 save하고 restore할 수 있는 자원에서 주로 사용 (CPU, memory)
• Circular Wait
  • 모든 자원 유형에 할당 순서를 정하여 정해진 순서대로만 자원 할당
  • 예를 들어 순서가 3인 자원 Ri를 보유 중인 프로세스가 순서가 1인 자원 Rj을 할당받기 위해서는 우선 Rj를 release해야 한다

→ Utilization 저하, throughput 감소, starvation 문제

📢 Deadlock Avoidance

• Deadlock avoidance
  • 자원 요청에 대한 부가정보를 이용해서 자원 할당이 deadlock으로 부터 안전(safe)한지를 동적으로 조사해서 안전한 경우에만 할당
  • 가장 단순하고 일반적인 모델은 프로세스들이 필요로 하는 각 자원별 최대 사용량을 미리 선언하도록 하는 방법임
• safe state
  • 시스템 내의 프로세스들에 대한 safe sequence가 존재하는 상태
• safe sequence
  • 프로세스의 sequence < P1, P2, ..., Pn >이 safe 하려면 Pi(1<= i <= n)의 자원 요청이 "가용 자원 + 모든 Pj(j<i)의 보유 자원"에 의해 충족되어야 함
  • 조건을 만족하면 다음 방법으로 모든 프로세스의 수행을 보장
    • Pi의 자원 요청이 즉시 충족될 수 없으면 모든 Pj(j<i)가 종료될 때까지 기다린다
    • Pi-1이 종료되면 Pi의 자원요청을 만족시켜 수행한다
• 시스템이 safe state에 있으면 → no deadlock
• 시스템이 unsafe state에 있으면 → possibility of deadlock
• Deadlock Avoidance
  • 시스템이 unsafe state에 들어가지 않는 것을 보장
  • 2가지 경우의 avoidance 알고리즘
    • Single instance per resource types
      • Resource Allocation Graph algorithm 사용
    • Multiple instances per resource types
      • Banker's Algorithm 사용

📢 Resource Allocation Graph algorithm

• Claim edge Pi → Rj
  • 프로세스 Pi가 자원 Rj를 미래에 요청할 수 있음을 뜻함 (점선으로 표시)
  • 프로세스가 해당 자원 요청시 request edge를 바뀜 (실선)
  • Rj가 release 되면 assignment edge는 다시 claim edge로 바뀐다
• request edge의 assignment edge 변경시 (점선을 포함하여) cylce이 생기지 않는 경우에만 요청 자원을 할당한다.
• Cycle 생성 여부 조사시 프로세스의 수가 n일 때 O(n²) 시간이 걸린다

📢 Banker's Algorithm

• 가정
  • 모든 프로세스는 자원의 최대 사용량을 미리 명시
  • 프로세스가 요청 자원을 모두 할당받은 경우 유한 시간 안에 이들 자원을 다시 반납한다
• 방법
  • 기본 개념 : 자원 요청시 safe 상태를 유지할 경우에만 할당
  • 총 요청 자원의 수가 가용 자원의 수보다 적은 프로세스를 선택 (그런 프로세스가 없으면 unsafe 상태)
    
  • 그런 프로세스가 있으면 그 프로세스에게 자원을 할당
  • 할당받은 프로세스가 종료되면 모든 자원을 반납
  • 모든 프로세스가 종료될 때까지 이러한 과정 반복

📢 Deadlock Detection and Recovery

• 자원의 최대 사용량을 미리 알릴 필요 없음 → 그래프에 점선이 없음
• Deadlock Detection
  • Resource type 당 single instance인 경우
    • 자원할당 그래프에서의 cycle이 곧 deadlock을 의미
  • Resource type 당 multiple instance인 경우
    • Banker's algorithm과 유사한 방법 활용
• Wait-for graph 알고리즘
  • Resource type 당 single instance 인 경우
  • Wait-for graph
    • 자원할당 그래프의 변형
    • 프로세스만으로 node 구성
• Recovery
  • Process temination
    • Abort all deadlocked processes
    • Abort one process at a time until the deadlock cycle is eliminated
  • Resource Preemption
    • 비용을 최소화할 victim의 선정
    • safe state로 rollback하여 process를 restart
    • Starvation 문제
      • 동일한 프로세스가 계속해서 victim으로 선정되는 경우
      • cost factor에 rollback 횟수도 같이 고려

📢 Deadlock Ignorance

• Deadlock 이 일어나지 않는다고 생각하고 아무런 조치도 취하지 않음
  • Deadlock이 매우 드물게 발생하므로 deadlock에 대한 조치 자체가 더 큰 overhead일 수 있음
  • 만약, 시스템에 deadldock이 발생한 경우 시스템이 비정상적으로 작동하는 것을 사람이 느낀 후 직접 process를 죽이는 등의 방법으로 대처
  • UNIX, Windows 등 대부분의 범용 OS가 채택