Deadlock

Deadlock 교착 상태

두 개 이상의 프로세스나 스레드가 서로 자원을 얻지 못해서 다음 처리를 하지 못하는 상태
무한히 다음 자원을 기다리게 되는 상태를 말한다.
시스템적으로 한정된 자원을 여러 곳에서 사용하려고 할 때 발생한다.
(마치, 외나무 다리의 양 끝에서 서로가 비켜주기를 기다리고만 있는 것과 같다.)

교착 상태

• 데드락이 일어나는 경우

프로세스1과 2가 자원1, 2를 모두 얻어야 한다고 가정해보자
t1 : 프로세스1이 자원1을 얻음 / 프로세스2가 자원2를 얻음
t2 : 프로세스1은 자원2를 기다림 / 프로세스2는 자원1을 기다림

현재 서로 원하는 자원이 상대방에 할당되어 있어서 두 프로세스는 무한정 wait 상태에 빠짐
→ 이것이 바로 DeadLock!!!!!!

주로 발생하는 경우

• 멀티 프로그래밍 환경에서 한정된 자원을 얻기 위해 서로 경쟁하는 상황 발생
• 한 프로세스가 자원을 요청했을 때, 동시에 그 자원을 사용할 수 없는 상황이 발생할 수 있음. 이때 프로세스는 대기 상태로 들어감
• 대기 상태로 들어간 프로세스들이 실행 상태로 변경될 수 없을 때 '교착 상태' 발생

데드락(DeadLock) 발생 조건

4가지 모두 성립해야 데드락 발생

(하나라도 성립하지 않으면 데드락 문제 해결 가능)

1. 상호 배제(Mutual exclusion)

자원은 한번에 한 프로세스만 사용할 수 있음

2. 점유 대기(Hold and wait)

최소한 하나의 자원을 점유하고 있으면서 다른 프로세스에 할당되어 사용하고 있는 자원을 추가로 점유하기 위해 대기하는 프로세스가 존재해야 함

3. 비선점(No preemption)

다른 프로세스에 할당된 자원은 사용이 끝날 때까지 강제로 빼앗을 수 없음

4. 순환 대기(Circular wait)

프로세스의 집합에서 순환 형태로 자원을 대기하고 있어야 함

예시. 식사하는 철학자들 문제(_The Dining-Philosophers Problem)

생각하고 먹으면서 그들의 생애를 보내는 5명의 철학자를 고려해 봅시다. 철학자들은 원형 테이블을 공유하며, 이 테이블은 각각 한 철학자에 속하는 5개의 의자로 둘러싸여 있습니다. 테이블 중앙에는 한 사발의 밥이 있고, 아래의 그림과 같이 테이블에는 다섯 개의 젓가락이 놓여 있습니다.

철학자가 생각을 할 때는 다른 동료들과 상호 작용을 하지 않습니다. 때때로 철학자들은 배가 고파지는데 그럴 때에는 자신에게 가장 가까이 있는 두 개의 젓가락(왼쪽 젓가락을 먼저 집습니다)을 집으려고 시도합니다. 철학자는 한 번에 한 개의 젓가락만 집을 수도 있으며, 이미 옆 사람의 손에 들어간 젓가락을 집을 수는 없습니다. 배고픈 철학자가 동시에 젓가락을 두 개를 집으면, 젓가락을 놓지 않고 손에 들고 있는 채로 식사를 합니다. 그러다가 식사를 마치면, 젓가락 두 개를 모두 놓고 다시 생각에 빠집니다.

식사하는 철학자들 문제는 고전적인 동기화 문제로 간주하는데, 그 이유는 실용적으로 중요하거나 혹은 컴퓨터 과학자들이 철학자를 싫어해서가 아니라 많은 부류의 병행 제어 문제의 한 예이기 때문입니다. 만약 모든 철학자가 동시에 배가 고프고 각 철학자가 왼쪽에 있는 젓가락을 잡으면 더 사용 가능한 젓가락이 없기에 모든 철학자들은 영원히 누군가 포기하지 않는 이상 영원히 오른쪽 젓가락을 사용할 수 있을 때까지 기다립니다.

우리는 이런 상황을 교착 상태(Deadlocks)라고 부릅니다. 또 다른 좋은 예도 있습니다. "두 기차가 교차로에서 서로 접근할 때는, 둘 다 완전히 정지해야 하며 상대방이 없어지지 않는 한 누구도 다시 출발할 수 없다."입니다.

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교착 상태를 예방 & 회피

1. 교착 상태 예방

교착 상태 발생 조건 중 하나를 제거하면서 해결한다 (자원 낭비 엄청 심함)

• 상호배제 부정 : 여러 프로세스가 공유 자원 사용

  • 이론적으로 가능한 방법이지만 현실적으로는 모든 자원을 공유하는 건 불가능
    

• 점유대기 부정 : 프로세스 실행전 모든 자원을 할당

  • 특정 프로세스에 자원을 모두 할당하거나, 아예 할당하지 않는 방식으로 배분
    => 자원의 활용율을 낮춤 ...

• 비선점 부정 : 자원 점유 중인 프로세스가 다른 자원을 요구할 때 가진 자원 반납

  • 선점이 가능한 자원(e.g. CPU)에 한해 효과적
    => 모든 자원이 선점 가능한 것은 아니다. 즉 한 프로세스가 끝날때까지 다른 자원이 이용하지 못하는 자원도 있다. (e.g. 프린트기)

• 순환대기 부정 : 자원에 고유번호 할당 후 순서대로 자원 요구

  • 자원에 번호를 붙이고 오름차순으로 할당하면 순환대기는 발생하지 않음
    => 자원에 번 붙이는 것은 어려운 작업일뿐만 아니라 어떤 자원은 어떤 번호를 붙이느냐에 따라 활용률이 달라져 자원을 잘 활용하는 방법이 아니다

2. 교착 상태 회피

교착 상태 발생 시 피해나가는 방법

• 교착 상태를 무분별한 자원 할당으로 인해 발생했다고 간주
• 교착 상태가 발생하지 않을 만큼 조심 조심 할당하기
• 배분할 수 있는 자원의 양을 고려하여 교착 상태가 발생하지 않을 만큼만 자원 배분

교착 상태 발생 시 피해나가는 방법

은행원 알고리즘(Banker's Algorithm)

• 은행에서 모든 고객의 요구가 충족되도록 현금을 할당하는데서 유래함
• 프로세스가 자원을 요구할 때, 시스템은 자원을 할당한 후에도 안정 상태로 남아있게 되는지 사전에 검사하여 교착 상태 회피
• 안정 상태면 자원 할당, 아니면 다른 프로세스들이 자원 해지까지 대기

1. 탐지(Detection)

자원 할당 그래프를 통해 교착 상태를 탐지함
자원 요청 시, 탐지 알고리즘을 실행시켜 그에 대한 오버헤드 발생함

2. 회복(Recovery)

교착 상태 일으킨 프로세스를 종료하거나, 할당된 자원을 해제시켜 회복시키는 방법

프로세스 종료 방법

• 교착 상태의 프로세스를 모두 중지
• 교착 상태가 제거될 때까지 하나씩 프로세스 중지

자원 선점 방법

• 교착 상태의 프로세스가 점유하고 있는 자원을 선점해 다른 프로세스에게 할당 (해당 프로세스 일시정지 시킴)
• 우선 순위가 낮은 프로세스나 수행 횟수 적은 프로세스 위주로 프로세스 자원 선점

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Reference

• https://gyoogle.dev/blog/computer-science/operating-system/DeadLock.html
• https://www.youtube.com/watch?v=Kcv0_Yb8Rqw&list=PLVsNizTWUw7FCS83JhC1vflK8OcLRG0Hl&index=37
• https://dkswnkk.tistory.com/412