[Philosophers] Day04. 데드락(Deadlock), 교착상태

jkeum·2021년 6월 15일

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데드락(Deadlock)

교착상태라고도 하며, 한정된 자원을 여러 곳에서 사용하려고 할 때 시스템에서 자원에 대한 요구가 뒤엉켜 발생한다.
둘 이상의 프로세스가 다른 프로세스가 점유하고 있는 자원을 사용하려고 무한 대기에 빠지는 상황이다.

데드락이 발생할 수 있는 경우

데드락 발생 상황

P1 과 P2 가 R1 과 R2 를 둘 다 사용하려고 한다.
둘은 동시에 자원을 가져서 사용해야 일정 시간이 지나면 두 자원을 놓아 다른 프로세스가 사용하게 할 수 있다.
먼저 P1 이 R1 을 사용하고 P2 는 R2 를 사용하면, P1 은 R2 를 기다리고 P2 는 R1 를 기다리게 된다.
그런데 각 자원을 이미 다른 프로세스가 사용하고 있어서 두 프로세스 모두 서로의 자원을 사용할 수 있을 때까지 기다리게 된다.
이렇게 무한으로 기다리게 되는 상황이 데드락이다.

데드락의 발생 조건

데드락은 한 시스템 내에서 다음 네 가지 조건이 동시에 성립할 때 발생한다.
즉, 다음 네 가지 조건 중 하나라도 성립하지 않게 만들면 데드락 상황을 해결할 수 있다.

상호 배제 (Mutual Exclusion)
자원은 한 번에 하나의 프로세스만이 사용할 수 있어야 한다. 사용 중인 자원을 다른 프로세스가 사용하려면 요청한 자원이 잠금 해제될 때까지 기다려야 한다.
점유 대기 (Hold and Wait)
최소한 하나의 자원을 점유하고 있으면서 다른 프로세스에 할당되어 사용하고 있는 자원을 추가로 점유하기 위해 대기하는 프로세스가 있어야 한다.
비선점 (No Preemption)
다른 프로세스에 할당된 자원은 사용이 끝날 때까지 강제로 빼앗을 수 없어야 한다.
순환 대기 (Circular Wait)
프로세스의 집합{P0, P1, ... , Pn}에서 P0는 P1이 점유한 자원을 대기하고 P1은 P2가 점유한 자원을 대기하고 ... Pn-1은 Pn이 점유한 자원을 대기하며 Pn은 P0가 점유한 자원을 요구해야 한다.

데드락의 해결 방법

데드락 해결 방법은 크게 다음 세 가지로 분류할 수 있다.

교착상태 예방 및 회피
교착상태가 되지 않도록 보장하기 위해 교착상태를 예방하거나 회피하는 프로토콜을 이용하는 방법
교착상태 탐지 및 회복
교착상태가 되도록 허용한 다음에 회복시키는 방법
교착상태 무시
대부분의 시스템은 교착상태가 잘 발생하지 않으며 교착상태 예방, 회피, 탐지, 복구하는 것은 비용이 많이 든다.

교착상태 예방 및 회피

교착상태 예방(Prevention)

교착상태 발생 조건 중 하나를 제거함으로써 해결하는 방법이다.
자원의 낭비가 심하다는 단점이 있다.

상호 배제 부정
여러 개의 프로세스가 공유 자원을 사용할 수 있도록 한다.
점유 대기 부정
프로세스가 실행되기 전에 필요한 모든 자원을 할당한다.
비선점 부정
자원을 점유하고 있는 프로세스가 다른 자원을 요구할 때, 점유하고 있는 자원을 반납하고 요구한 자원을 사용하기 위해 기다리게 한다.
순환 대기 부정
자원에 고유한 번호를 할당하고, 번호 순서대로 자원을 요구하도록 한다.

교착상태 회피(Avoidance)

교착상태가 발생하면 피해나가는 방법이다.

시스템의 프로세스들이 요청하는 모든 자원을 교착상태를 발생시키지 않으면서 차례로 모두에게 할당해 줄 수 있다면 안정 상태(safe state)에 있다고 말한다.
그리고 이처럼 특정한 순서로 프로세스들에게 자원을 할당, 실행, 종료 등의 작업을 할 때 교착상태가 발생하지 않는 순서를 찾을 수 있다면 이를 안전 순서(safe sequence)라고 부른다.

불안정 상태는 안정 상태가 아닌 상황, 교착상태가 발생할 가능성이 있는 상황이다.
교착상태는 불안정 상태일 때 발생할 수 있다. (교착상태 ⊂ 불안정 상태)

회피 알고리즘은 자원을 할당한 후에도 시스템이 항상 안전 상태에 있을 수 있도록 할당을 허용하는 것이 기본 특징이다.
은행원 알고리즘(Banker's Algorithm)이 이러한 특징을 살린 대표적인 알고리즘이다.

은행원 알고리즘은 Dijkstra가 제안한 기법으로, 은행에서 모든 고객의 요구가 충족되도록 현금을 할당하는 데서 유래했다.
프로세스가 자원을 요구할 때 시스템은 자원을 할당한 후에도 안정 상태로 남아있게 되는지를 사전에 검사하여 교착상태를 회피하는 기법이다.
안정 상태에 있으면 자원을 할당하고, 그렇지 않으면 다른 프로세스들이 자원을 해지할 때까지 대기한다.

교착상태 탐지 및 회복

교착상태가 되도록 허용한 다음에 회복시키는 방법이다.

교착상태 탐지(Detection)

자원 할당 그래프를 통해 교착상태를 탐지할 수 있다.

프로세스 Pi 로부터 자원 Rj 로의 방향은 Pi
-> Rj 로 표현하며, 이는 프로세스 Pi 가 자원을 요청하는 것으로 현재 이 자원을 기다리는 상태이다.
자원 Rj 로부터 프로세스 Pi 로의 방향은 Rj -> Pi 로 표현하며, 이는 자원이 프로세스 Pi 에 할당된 것을 의미한다.
Allocation, Request, Available 등으로 시스템에 교착상태가 발생했는지 여부를 탐색한다.
은행원 알고리즘과 유사한 방식으로 현재 시스템의 자원 할당 상태를 가지고 파악한다.

교착상태 회복(Recovery)

교착상태를 발생시킨 프로세스를 종료하거나 할당된 자원을 해제함으로써 회복한다.

프로세스를 종료시키는 방법
1. 교착상태의 프로세스를 모두 중지시킨다.
2. 교착상태가 제거될 때까지 한 프로세스씩 중지시킨다.
자원을 선점하는 방법
1. 교착상태의 프로세스가 점유하고 있는 자원을 선점하여 다른 프로세스에게 할당하며, 해당 프로세스를 일시정지시키는 방법이다.
2. 우선 순위가 낮은 프로세스, 수행된 횟수가 적은 프로세스 등을 위주로 프로세스의 자원을 선점한다.