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(요청, 할당, 사용, 반납)
    • Request, Allocate, Use, Release
• 데드락 예시
  • 시스템에 2개의 테이프 드라이버가 있는데, 프로세스 P1과 P2가 각각 하나의 테이프 드라이버를 보유한 채 다른 하나를 기다리고 있을 때
  • Binary semaphores A and B

4가지 필요 조건

조건	설명
Mutual exclusion(상호 배제)	매 순간 하나의 프로세스 만이 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
Cicular wait(순환 대기)	자원을 기다리는 프로세스 간에 사이클이 형성

Resource-Allocation Graph

자원할당 그래프

• 그래프의 cycle과 deadlock
  • cycle이 없으면,
    • deadlock 아님
  • cycle이 있으면,
    • if only one instance per resource type, then deadlock(그림에서 점의 개수가 instance의 수)
    • if several instances per resource type, possibility of deadlock

Deadlock의 처리 방법

Deadlock Prevention

미리 막기; 자원 할당 시 Deadlock의 4가지 필요 조건 중 어느 하나가 만족되지 않도록 하는 것

• Mutual Exclusion
  • 공유해서는 안되는 자원의 경우 반드시 성립해야 함
• Hold and Wait
  • 프로세스가 자원을 요청할 때 다른 어떤 자원도 가지고 있지 않아야 함 (보유하고 있으면서 요청할때 데드락이 생기므로)
  • 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(빼앗는 것을 허용한다 → Preemption 허용)
  • process가 어떤 자원을 기다려야 하는 경우 이미 보유한 자원이 선점됨
  • 모든 필요한 자원을 얻을 수 있을 때 그 프로세스는 다시 시작됨
  • State를 쉽게 save하고 restore할 수 있는 자원에서 주로 사용 (CPU나 memory같은 자원이 해당됨)
• Circular Wait
  • 모든 자원 유형에 할당 순서를 정하여 정해진 순서대로만 자원 할당
  • 예를 들어 순서가 3인 자원 R을 보유 중인 프로세스가 순서 1인 자원 R1을 할당받기 위해서는 우선 R1을 Release 해야 한다.

➡️ Uitilization(이용률) 저하, Throughput(성능-처리량) 감소, Starvation 문제

Deadlock Avoidance

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

• 자원 요청에 대한 부가정보를 이용해서 자원할당이 deadlock으로 부터 안전한지를 동적으로 조사해서 안전한 경우에만 할당
• 가장 단순하고 일반적인 모델은 프로세스들이 필요로 하는 각 자원별 최대 사용량을 미리 선언하도록 하는 방법임
• 시스템이 unsafe state에 들어가지 않는 것을 보장
• 2가지 경우의 avoidance 알고리즘
  • Single instance per resource types
    • Resource Allocation Graph Algorithm
  • Multiple Instances per resource types
    • Banker’s Algorithm

safe state

• 시스템 내의 프로세스들에 대한 safe sequence가 존재하는 상태
• 시스템이 safe state에 있으면 → 데드락이 발생하지 않음
• unsafe state에 있으면 → 데드락 발생 가능성

safe sequence

• 프로세스의 sequence < P1, P2, …, Pn >이 safe 하려면 Pi의 자원 요청이 “가용자원 + 모든 Pj의 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 자원 요청을 만족시켜 수행한다.

Deadlock Detection and Recovery

발생 후 처리; Deadlock 발생은 허용하되 그에 대한 detection 루틴을 두어 deadlock 발견 시 recover

• Deadlock Detection

  • Resource type 당 single instance인 경우
    • 자원 할당 그래프에서의 cycle이 곧 deadlock을 의미
  • Resource type 당 multible instance인 경우
    • Banker’s algorithm과 유사한 방법 활용

• Recovery

  • Process termination
    • Abort all deadlocked processes(데드락에 연루된 모든 프로세스를 kill)
    • Abort one process at a time until the deadlock cycle is eliminated(하나씩 kill)
  • Resource Preemption(데드락에 연루된 프로세스의 자원을 뺏는 방법)
    • 비용을 최소화 할 victim의 선정
    • safe state로 rollback하여 process를 restart
    • Starvation 문제
      • 동일한 프로세스가 계속해서 victim으로 선정되는 경우
      • cost factor에 rollback 횟수도 같이 고려

Deadlock Ignorance

Deadlock을 시스템이 책임지지 않음; UNIX를 포함한 대부분의 OS가 채택

• 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