Deadlocks

✏️ 교착상태 (deadlock)

• 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 P과 P2 각각이 하나의 tape drive를 보유한 채 다른 하나를 기다리고 있다
• Deadlock Example 2
  • Binary semaphores A and B

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

✏️ Deadlock 발생의 4가지 조건

1️⃣ Mutual exclusion (상호 배제)

• 매 순간 하나의 프로세스만이 자원을 사용할 수 있음

2️⃣ No preemption (비선점)

• 프로세스는 자원을 스스로 내어놓을 뿐 강제로 빼앗기지 않음

3️⃣ Hold and wait (보유대기)

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

4️⃣ Circular wait (순환대기)

• 자원을 기다리는 프로세스간에 사이클이 형성되어야 함
• 프로세스 P0, P1, ... , Pn이 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 (자원 할당 그래프)

• 그래프에 cycle이 없으면 deadlock이 아님
• 그래프에 cycle이 있으면
  • if only one instance per resource type, then deadlock
  • if several instances per resource type, possibility of deadlock

✏️ Deadlock의 처리 방법

1️⃣ Deadlock Prevention (미연에 방지)

• 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
  • 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 $R_i$를 보유 중인 프로세스가 순서가 1인 자원 $R_j$을 할당받기 위해서는 우선 $R_i$를 release해야 함

→ Utilization 저하, throughput 감소, starvation 문제

2️⃣ Deadlock Avoidance (미연에 방지)

• 자원 요청에 대한 부가적인 정보를 이용해서 deadlock의 가능성이 없는 경우(safe)에만 자원을 할당

• 시스템 state가 원래 state로 돌아올 수 있는 경우에만 자원 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 <$P_1$, $P_2$, ..., $P_n$>이 safe하려면 $P_i$ (1 ≤ i ≤ n)의 자원 요청이 '가용 자원 + 모든 $P_j$ (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 기다림
    - 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 $P_i$ → $R_j$
  • 프로세스 $P_i$가 자원 $R_j$를 미래에 요청할 수 있음을 뜻함 (점선으로 표시)
  • 프로세스가 해당 자원 요청시 request edge로 바뀜 (실선)
  • $R_j$가 release되면 assignment edge는 다시 claim edge로 바뀜
• request edge의 assignment edge 변경시 (점선을 포함하여) cycle이 생기지 않는 경우에만 요청 자원을 할당
• Cycle 생성 여부 조사시 프로세스의 수가 n일 때 $O(n^2)$ 시간이 걸린다

📌 Banker's Algorithm

• 가정
  • 항상 최악의 상황을 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
    
    → P1 request (1, 0, 2)
    

3️⃣ Deadlock Detection and recovery

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

• Deadlock Detection

  • Resource type 당 single instance인 경우
    • 자원할당 그래프에서의 cycleol 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
    • $P_j$가 가지고 있는 자원을 $P_k$가 기다리는 경우 $P_k$ → $P_j$
  • Algorithm
    - Wait-for graph에 사이클이 존재하는지를 주기적으로 조사
    - $O(n^2)$
    

• Recovery

  • Process termination
    • 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

4️⃣ Deadlock Ignorance

• Deadlock을 시스템이 책임지지 않음
• Deadlock이 일어나지 않는다고 생각하고 아무런 조치도 취하지 않음
  • Deadlockol 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

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참고자료
KOCW, 반효경 교수님, 운영체제