Deadlocks

본 글은 다음 강의를 들으며 정리한 내용입니다.
강의 정보 : 운영체제 / 이화여대 반효경
강의 링크

 

1. The Deadlock Problem

Deadlock (교착상태)

• 일련의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 block된 상태

Resource (자원)

• 하드웨어, 소프트웨어 등을 포함하는 개념

• (예) 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 P2가 각각 하나의 tape drive를 보유한 채 다른 하나를 기다리고 있다.

Deadlock Example 2:

• Binary semaphore A and B

P0	P1
P(A);	P(B);
P(B);	P(A);

 

2. 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 (보유대기)

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

• Circular wait (순환대기)

  • 자원을 기다리는 프로세스 간에 사이클이 형성되어야 함
  • 프로세스 P0, P1, ..., Pn이 있을 때
    • P0은 P1이 가진 자원을 기다림
    • P1은 P2이 가진 자원을 기다림
    • Pn-1은 Pn이 가진 자원을 기다림
    • Pn은 P0이 가진 자원을 기다림

 

3. Resource-Allocation Graph (자원할당그래프)

(deadlock X)

• Vertex

  • Process P = {P1, P2, ..., Pn}
  • Resource R = {R1, R2, ..., Rn}

• Edge

  • request edge = Pi ➔ Rj
  • assignment edge = Rj ➔ Pi

(deadlock)

(deadlock X)

• 그래프에 cycle이 없으면 deadlock이 아니다.

• 그래프에 cycle이 있으면

  • if only one instance(검은색 점) per resource type, then deadlock
  • if serveral instances per resource type, possibility of deadlock

 

4. 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 deadlock 발견 시 recover

• Deadlock Ignorance

  • Deadlock을 시스템이 책임지지 않음
  • UNIX를 포함한 대부분의 OS가 채택
  • 현대 가장 많이 채택하는 방법으로 deadlock은 빈번히 발생하는 문제가 아니기 때문에 미연에 방지하기 위해서 훨씬 더 많은 오버헤드를 들이는 것이 비효율적

위로 갈 수록 더 강력한 방법
위 2가지 방법은 deadlock이 생기기 전 미연에 방지
아래 2가지 방법은 일단 deadlock이 생기게 놔둠

4-1. Deadlock Prevention

Deadlock이 발생하는 4가지 조건 중 하나를 원천적으로 차단해서 deadlock에 들어가지 못 하게 하는 방법

• Mutual exclusion

  • 공유해서는 안되는 자원의 경우 반드시 성립해야 한다.

• 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 (비효율적)
  • 방법 2 : 자원이 필요할 경우 보유 자원을 모두 놓고 다시 요청

• No preemption

  • Process가 어떤 자원을 기다려야 하는 경우 이미 보유한 자원이 선점된다.
  • 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 Rj를 할당받기 위해서는 우선 Rj를 release해야 한다.

utilization 저하, throughput 감소, starvation 문제
생기지도 않을 deadlock을 미리 생각해서 제약조건을 많이 달아놓기 때문에 비효율적

4-2. Deadlock Avoidance

• 자원 요청에 대한 부가정보를 이용해서 자원 할당이 deadlock으로부터 안전(safe)한지를 동적으로 조사해서 안전한 경우에만 할당

• 가장 단순하고 일반적인 모델은 프로세스들이 필요로 하는 각 자원별 최대 사용량을 미리 선언하도록 하는 방법

• safe state

  • 시스템 내의 프로세스들에 대한 safe sequence가 존재하는 상태

• safe sequence

  • 프로세스의 sequence <P1, P2, ..., Pn>이 safe하려면 Pi(1 ≤ i ≤ n)의 자원 요청이 가용 자원 + 모든 Pj(j < i)의 보유 자원에 의해 충족되어야 한다.
  • 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

4-2-1. Resource Allocation Graph algorithm

• Claim edge Pi ➔ Rj

  • 프로세스 Pi가 자원 Rj를 미래에 요청할 수 있음을 뜻함 (점선)
  • 프로세스가 해당 자원 요청 시 request edge로 바뀜 (실선)
  • Rj가 release되면 assignment edge는 다시 claim edge로 바뀜

• request edge의 assignment edge 변경 시 (점선을 포함하여) cycle이 생기지 않는 경우에만 요청 자원을 할당한다.

• cycle 생성 여부 조사 시 프로세스의 수가 n일 때 O(n^2) 시간이 걸린다.

4-2-2. 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 요청 시 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

Example :

4-3. Deadlock Detection and Recovery

4-3-1. 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 instance인 경우
  • Wait-for graph
    • 자원할당 그래프의 변형
    • 프로세스만으로 node 구성
    • Pj가 가지고 있는 자원을 Pk가 기다리는 경우 Pk ➔ Pj
  • Algorithm
    • Wait-for graph에 사이클이 존재하는지를 주기적으로 조사
    • O(n^2)

4-3-2. Recovery

• Process termination

  • Abort all deadlocked processes (모든 프로세스 죽임)
  • Abort one process at a time until the deadlock cycle is eliminated (하나씩 죽여서 deadlock이 풀리는지 확인)

• 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

4-4. Deadlock Ignorance

Deadlock이 일어나지 않는다고 생각하고 아무런 조치도 취하지 않음

• Deadlock이 매우 드물게 발생하므로 deadlock에 대한 조치 자체가 더 큰 overhead일 수 있음
• 만약, 시스템에 deadlock이 발생한 경우 시스템이 비정상적으로 작동하는 것을 사람이 느낀 후 직접 process를 죽이는 등의 방법으로 대처
• UNIX, Windows 등 대부분의 범용 OS가 채택