1. 운영체제의 역할
운영체제(Operating System, OS)는 컴퓨터 하드웨어와 소프트웨어 사이에서 자원을 관리하고 프로그램 실행을 돕는 핵심 소프트웨어이다.
✅ 운영체제의 핵심 구조: 커널과 시스템 콜
✅ 프로세스 및 스레드 관리: 프로그램 실행과 동기화
✅ 자원 관리: CPU, 메모리, 파일 시스템 관리
1️⃣ 운영체제의 핵심 구조: 커널과 시스템 콜
📌 커널(Kernel)이란?
커널은 운영체제의 핵심 부분으로, 하드웨어를 직접 제어하며 CPU, 메모리, 입출력 장치 등을 관리하는 역할을 한다.
운영체제는 크게 두 가지 영역으로 나뉜다.
🔹 사용자 영역(User Space): 응용 프로그램(브라우저, 게임 등)이 실행되는 공간
🔹 커널 영역(Kernel Space): 운영체제 핵심 기능이 실행되는 공간
운영체제는 보안과 안정성을 위해 사용자 영역과 커널 영역을 분리하며, 일반 프로그램이 커널 영역에 직접 접근하는 것을 막는다.
📌 시스템 콜(System Call)이란?
사용자 프로그램이 운영체제의 기능을 사용하려면 시스템 콜(System Call)을 호출해야 한다.
즉, 프로그램이 파일을 열거나, 새로운 프로세스를 생성하는 등 중요한 작업을 수행할 때 운영체제의 도움을 요청하는 방식이다.
✅ 시스템 콜 과정
1️⃣ 응용 프로그램이 시스템 콜을 호출 🛑 (ex. open()으로 파일 열기)
2️⃣ 사용자 모드 → 커널 모드 전환 🛠️ (운영체제가 개입)
3️⃣ 운영체제 코드 실행 🎯 (파일을 읽고 메모리에 로드)
4️⃣ 시스템 콜 리턴 후 사용자 모드로 복귀 🔁
✅ 주요 시스템 콜 종류
📂 파일 관리: open(), close(), read(), write()
📂 디렉터리 관리: mkdir(), rmdir(), chdir()
🔄 프로세스 관리: fork(), execve(), exit(), waitpid()
💡 운영체제는 사용자 프로그램이 직접 커널 영역을 조작하지 못하도록 시스템 콜을 통해 제어한다.
2️⃣ 프로세스 및 스레드 관리: 프로그램 실행과 동기화
📌 프로세스(Process)란?
프로세스는 실행 중인 프로그램을 의미한다.
단순한 프로그램 파일(.exe, .out)은 실행되지 않으면 프로세스가 아니며, 실행될 때 메모리에 적재되고 CPU 자원을 할당받아 실행되는 것이 프로세스이다.
📌 스레드(Thread)란?
스레드는 프로세스 내에서 실행되는 실행 단위이다.
즉, 프로세스가 하나 이상의 스레드를 가질 수 있으며, 여러 스레드가 동시에 실행될 수 있다.
3️⃣ 자원 관리: CPU, 메모리, 파일 시스템 관리
📌 CPU 관리: CPU 스케줄링
CPU 스케줄링이란 여러 프로세스를 효율적으로 실행하기 위해 CPU를 할당하는 방법을 의미한다.
💡 CPU 스케줄링은 멀티태스킹 환경에서 필수적인 개념이며, 성능 최적화에 중요한 역할을 한다.
📌 메모리 관리: 가상 메모리와 페이지 교체
가상 메모리는 실제 물리 메모리보다 큰 공간을 사용할 수 있도록 도와주는 기술이다.
운영체제는 프로그램이 필요할 때만 데이터를 메모리에 로드하며, 이를 통해 효율적인 메모리 사용이 가능하다.
💡 가상 메모리는 제한된 물리 메모리를 효과적으로 활용하는 핵심 기술이다.
📌 파일 시스템: 파일과 디렉터리 관리
운영체제는 파일 시스템을 통해 데이터 저장 및 접근을 관리한다.
💡 운영체제는 파일의 접근 권한을 제어하며, 안정적인 데이터 저장을 보장한다.
2. 프로세스와 스레드: 운영체제의 핵심 개념
운영체제에서 가장 중요한 개념 중 하나는 프로세스와 스레드이다.
이 두 개념을 이해하면, 컴퓨터가 어떻게 프로그램을 실행하고 관리하는지 파악할 수 있다.
✅ 프로세스(Process): 실행 중인 프로그램
✅ 스레드(Thread): 프로세스 내에서 실행되는 작은 작업 단위
운영체제는 프로세스를 생성하고 관리하며, 각 프로세스가 CPU와 메모리를 적절히 사용할 수 있도록 조정한다.
1️⃣ 프로세스란?
📌 프로세스(Process)의 개념
- 프로세스(Process)는 실행 중인 프로그램을 의미한다.
단순히 .exe 또는 .out 같은 파일이 저장되어 있다고 프로세스가 되는 것이 아니다.
📌 프로그램이 실행되어 메모리에 로드되고 CPU가 실행을 담당해야만 프로세스가 된다.
✅ 프로세스의 주요 특징
- 독립적인 메모리 공간을 가짐 (다른 프로세스와 메모리를 공유하지 않음)
- 운영체제(OS)가 직접 관리 (프로세스 스케줄링, 메모리 할당, 자원 관리)
- 여러 개의 프로세스가 동시에 실행 가능 (멀티태스킹)
📌 프로세스의 종류
🔹 포그라운드 프로세스(Foreground Process)
- 사용자가 직접 실행하는 프로세스 (예: 웹 브라우저, 게임, 텍스트 편집기)
🔹 백그라운드 프로세스(Background Process)
- 사용자가 직접 조작하지 않고 백그라운드에서 실행되는 프로세스
- 데몬(Daemon): 백그라운드에서 실행되며, 시스템 서비스를 제공 (ex. 리눅스의
cron,sshd) - 서비스(Service): 윈도우에서 실행되는 백그라운드 프로세스 (ex. 윈도우 업데이트, 백신 프로그램)
2️⃣ 프로세스의 메모리 구조
프로세스는 실행될 때 운영체제에 의해 특정한 메모리 구조를 가진다.
📌 운영체제는 프로세스가 사용할 메모리를 아래와 같이 4가지 영역으로 구분하여 관리한다.
| 구분 | 설명 |
|---|---|
| 코드(Code) 영역 | 실행할 프로그램 코드가 저장되는 공간 (CPU가 실행할 명령어 포함) |
| 데이터(Data) 영역 | 전역 변수 및 정적 변수가 저장되는 공간 |
| 힙(Heap) 영역 | 실행 중 동적으로 할당되는 메모리 (ex. new, malloc 등) |
| 스택(Stack) 영역 | 함수 호출 시 생성되는 지역 변수, 매개변수, 리턴 주소 저장 |
✅ 코드 & 데이터 영역은 "정적 할당", 힙 & 스택 영역은 "동적 할당"이 이루어진다.
💡 주의할 점
- 힙 메모리를 할당하고 반환하지 않으면 "메모리 누수(Memory Leak)" 발생!
- 스택 메모리는 함수 호출이 끝나면 자동으로 반환됨.
- 자바에서는 가비지 컬렉션(GC)이 자동으로 사용되지 않는 힙 메모리를 정리.
3️⃣ PCB(Process Control Block)와 문맥 교환
📌 PCB(Process Control Block)란?
운영체제는 각 프로세스의 정보를 관리하기 위해 PCB(프로세스 제어 블록)를 사용한다.
✅ PCB는 프로세스가 실행 중인 상태를 저장하는 데이터 구조이다.
🔹 PCB에 저장되는 정보
- 프로세스 ID (PID): 프로세스를 식별하는 고유한 번호
- 레지스터 값: CPU가 사용하던 값 저장
- 프로세스 상태: 실행(Running), 대기(Waiting) 등
- 메모리 관련 정보: 프로세스가 사용하는 메모리 위치
- 파일 및 입출력 장치 정보: 파일 핸들, 열린 소켓 정보 등
✅ 운영체제는 PCB를 이용해 프로세스를 스케줄링하고 관리한다.
📌 문맥 교환(Context Switching) 개념
CPU가 실행할 프로세스를 변경할 때, 현재 프로세스의 상태를 저장하고 새로운 프로세스를 로드하는 과정을 의미한다.
이 과정에서 PCB를 사용하여 프로세스의 실행 상태를 저장하고 복구한다.
✅ 문맥 교환이 발생하는 경우
1️⃣ 타이머 인터럽트: 특정 프로세스가 할당된 시간이 끝남
2️⃣ 입출력(I/O) 요청: I/O 작업을 위해 대기 상태로 변경
3️⃣ 시스템 호출(SYS CALL): 프로세스가 커널 기능을 요청
✅ 문맥 교환의 주요 작업
- 실행 중인 프로세스의 레지스터, 프로그램 카운터, 스택 포인터 정보를 PCB에 저장
- 새로운 프로세스의 PCB 정보를 복원하여 실행 상태로 전환
📌 💡 문맥 교환은 필수적이지만, 불필요한 문맥 교환을 줄이면 성능이 향상된다.
4️⃣ 프로세스 상태
1. 생성(New)
- 프로세스가 처음 생성된 상태이다.
- 운영체제가 프로세스를 생성하고 초기화하는 단계이다.
- 메모리 할당, PCB(Process Control Block) 생성, 입출력 준비 등의 작업이 수행된다.
- 스케줄러가 프로세스를 준비 상태(Ready)로 이동시켜야 실행 가능하다.
2. 준비(Ready)
- 실행할 준비가 된 상태이지만 CPU가 할당되지 않아서 대기 중인 상태.
- CPU 스케줄러가 언제 CPU를 할당할지 결정.
- 여러 개의 프로세스가 동시에 준비 큐(Ready Queue)에 대기할 수 있다.
- 문맥 교환(Context Switching)으로 실행 상태(Running)로 전환될 수 있다.
3. 실행(Running)
- 프로세스가 실제로 CPU를 할당받아 실행 중인 상태.
- 운영체제가 프로세스를 스케줄링하여 CPU를 배정하면 이 상태가 된다.
- 하지만, 타이머 인터럽트, 입출력 요청, 강제 종료 등의 이유로 다른 상태로 변경될 수 있다.
4. 대기(Waiting) 또는 블록(Blocked)
- 입출력(I/O) 작업을 요청하거나 특정 이벤트를 기다리는 상태.
- CPU를 할당받아도 실행할 수 없기 때문에 강제로 대기해야 한다.
- 예를 들어, 파일을 읽거나 네트워크에서 데이터를 받을 때 프로세스가 대기 상태가 된다.
- 이벤트(예: I/O 완료)가 발생하면 다시 준비(Ready) 상태로 이동한다.
5. 종료(Terminated)
- 프로세스의 실행이 완료되거나 오류로 인해 강제 종료된 상태.
- 운영체제가 프로세스를 삭제하고, 할당된 자원을 반환한다.
- 정상적인 종료 외에도 강제 종료(Kill), 오류(Error), 시스템 종료(Shutdown) 등의 이유로 종료될 수 있다.
프로세스 상태 전이(변경)
- [New → Ready] : 새로 생성된 프로세스가 실행 준비 상태로 전환.
- [Ready → Running] : CPU가 프로세스를 선택하여 실행.
- [Running → Ready] : CPU 할당 시간이 끝나거나 인터럽트 발생 → 다시 준비 상태.
- [Running → Waiting] : 프로세스가 I/O 요청이나 이벤트를 기다릴 때.
- [Waiting → Ready] : 대기하던 이벤트가 완료되면 다시 실행 가능 상태로 전환.
- [Running → Terminated] : 프로세스가 정상적으로 종료되거나 강제 종료됨.
5️⃣ 멀티스레드 vs 멀티프로세스
멀티태스킹 환경에서는 여러 개의 프로세스나 스레드가 동시에 실행될 수 있다.
📌 멀티스레드(Multi-thread)란?
멀티스레드는 하나의 프로세스 내에서 여러 개의 스레드가 실행되는 구조이다.
✅ 멀티스레드 특징
- 코드, 데이터, 힙 영역을 여러 스레드가 공유
- 스택 영역은 각 스레드별로 개별적으로 존재
- 스레드 간 통신이 빠르고 메모리 효율이 좋음
📌 💡 단점: 스레드 동기화(Synchronization) 필요
📌 멀티프로세스(Multi-process)란?
멀티프로세스는 여러 개의 독립적인 프로세스가 동시에 실행되는 방식이다.
✅ 멀티프로세스 특징
- 각 프로세스가 독립적인 메모리 공간을 가짐
- 하나의 프로세스가 비정상 종료되어도 다른 프로세스에는 영향 없음
📌 💡 단점: 문맥 교환 비용이 커서 성능이 저하될 수 있음.
6️⃣ 프로세스 간 통신 : IPC
IPC는 운영체제에서 서로 다른 프로세스가 데이터를 주고받는 방식을 의미한다.
멀티프로세스 환경에서는 각 프로세스가 독립적인 메모리 공간을 사용 하기 때문에 직접 데이터를 공유할 수 없다.
공유 메모리(Shared Memory)
공유 메모리는 프로세스 간 특정 메모리 공간을 공유하여 데이터를 주고받는 방법이다.
운영체제(OS)가 공유 메모리 영역을 할당하고, 여러 프로세스가 해당 영역을 읽거나 쓸 수 있도록 한다.
📌 공유 메모리 특징
✅ 빠름 → CPU가 직접 메모리에 접근하여 데이터 복사 없이 사용 가능
✅ 많은 데이터 처리 가능 → 대량의 데이터 전송에도 유리
❌ 동기화 필요 → 여러 프로세스가 동시에 접근하면 충돌 가능 (Mutex, Semaphore 사용)
❌ 메모리 관리 필요 → 프로세스 종료 후 메모리를 해제하지 않으면 낭비 발생
IPC 방식의 종류
| 방식 | 설명 | 장점 | 단점 |
|---|---|---|---|
| 공유 메모리(Shared Memory) | 여러 프로세스가 같은 메모리 공간을 공유하여 데이터 전달 | 속도가 빠름 (메모리 직접 접근) | 동기화 문제 발생 가능 (Mutex, Semaphore 필요) |
| 메시지 큐(Message Queue) | 운영체제(OS)가 관리하는 큐를 통해 프로세스 간 데이터 전송 | 프로세스 간 독립성 보장 | 속도가 상대적으로 느림 |
| 소켓(Socket) | 네트워크를 통해 서로 다른 프로세스가 통신 | 원격 프로세스와 통신 가능 | 오버헤드가 큼 |
| 파이프(Pipe) | 한 프로세스에서 다른 프로세스로 데이터를 순차적으로 전달 | 간단한 통신 가능 | 단방향 통신(기본), 크기 제한 존재 |
| 시그널(Signal) | 프로세스에 특정 이벤트(알림)를 전달 | 간단한 제어 가능 | 데이터 전달 불가능 |
3. 동기화 교착 상태
1️⃣ 뮤텍스(Mutex, Mutual Exclusion) 사용
- 특정 스레드가 파일을 사용하는 동안 다른 스레드는 접근하지 못하도록 잠금(Lock)을 거는 방식.
- Java에서는
synchronized키워드 또는ReentrantLock을 사용할 수 있음.
✅ Java에서 파일 접근을 동기화하는 방법
import java.io.*;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
class SharedFile {
private static final Lock lock = new ReentrantLock();
private static final String FILE_PATH = "shared_file.txt";
public static void writeToFile(String data) {
lock.lock(); // 🔒 파일 잠금
try (FileWriter fw = new FileWriter(FILE_PATH, true);
BufferedWriter bw = new BufferedWriter(fw)) {
bw.write(data);
bw.newLine();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " wrote: " + data);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock(); // 🔓 파일 잠금 해제
}
}
}
public class RaceConditionExample {
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread(() -> SharedFile.writeToFile("Thread A data"));
Thread t2 = new Thread(() -> SharedFile.writeToFile("Thread B data"));
t1.start();
t2.start();
}
}
- lock.lock()을 사용하여 한 번에 하나의 스레드만 파일에 접근 가능하도록 제어.
- lock.unlock()을 사용하여 파일 작업이 끝난 후 다른 스레드가 접근할 수 있도록 해제
2️⃣ 세마포어(Semaphore)란?
- *세마포어(Semaphore)는 멀티스레딩 환경에서 여러 스레드가 공유 자원에 접근하는 것을 제어하는 동기화 기법**이다.
특정 개수의 스레드만 공유 자원에 접근할 수 있도록 허용하는 역할을 한다.
📌 세마포어 동작 방식
- 초기값(permit 수) 설정
permit값은 공유 자원에 동시에 접근할 수 있는 스레드의 최대 개수.- 예를 들어,
permit = 2이면 최대 2개의 스레드만 자원에 접근 가능.
- 스레드가 공유 자원에 접근할 때
acquire()실행- 세마포어가 0이 아닌 경우, 하나 감소시키고 자원 사용을 허용.
- 0이면, 다른 스레드가
release()할 때까지 대기 상태.
- 작업이 끝난 후
release()실행- 공유 자원을 반환하고 세마포어 값을 증가시켜 다른 스레드가 사용할 수 있도록 허용.
📌 Java 세마포어 예제
다음 예제는 3개의 스레드가 동시에 최대 2개의 스레드만 실행할 수 있도록 세마포어를 설정한 코드이다.
import java.util.concurrent.Semaphore;
class SharedResource {
private final Semaphore semaphore;
public SharedResource(int permits) {
this.semaphore = new Semaphore(permits); // 최대 접근 가능 스레드 개수 설정
}
public void useResource(String threadName) {
try {
semaphore.acquire(); // 세마포어 획득 (permit 감소)
System.out.println(threadName + " : 자원 사용 시작...");
Thread.sleep(2000); // 자원 사용 시간 (2초)
System.out.println(threadName + " : 자원 사용 종료...");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
semaphore.release(); // 세마포어 해제 (permit 증가)
}
}
}
public class SemaphoreExample {
public static void main(String[] args) {
SharedResource resource = new SharedResource(2); // 최대 2개 스레드 허용
Thread t1 = new Thread(() -> resource.useResource("Thread A"));
Thread t2 = new Thread(() -> resource.useResource("Thread B"));
Thread t3 = new Thread(() -> resource.useResource("Thread C"));
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
📌 실행 결과
(출력 순서는 스레드 스케줄러에 따라 달라질 수 있음)
Thread A : 자원 사용 시작...
Thread B : 자원 사용 시작...
(Thread C는 대기 중)
Thread A : 자원 사용 종료...
Thread B : 자원 사용 종료...
(Thread C가 실행 가능 상태가 됨)
Thread C : 자원 사용 시작...
Thread C : 자원 사용 종료...Thread A와Thread B가 동시에 실행됨.Thread C는 대기 상태에 있다가, 하나의 자원이 반환되면 실행됨.
📌 세마포어를 사용하는 이유
✅ 경쟁 상태(Race Condition) 방지
✅ 한정된 자원(예: 데이터베이스, 파일, 네트워크 연결) 관리 가능
✅ 멀티스레드 환경에서 과부하 방지
예제에서 semaphore(2)을 설정한 이유?
- 동시에 2개의 스레드만 공유 자원을 사용하도록 제한하여 경쟁 상태를 방지함.
3️⃣ 조건 변수(Condition Variable)와 모니터(Monitor
조건 변수(Condition Variable)와 모니터(Monitor)는 멀티스레딩 환경에서 스레드 간 동기화를 위한 기법이다.
공유 자원(예: 버퍼, 큐 등)에 여러 스레드가 접근할 때 데이터의 일관성을 유지하는 데 사용된다.
1. 조건 변수(Condition Variable)란?
- 스레드가 특정 조건이 만족될 때까지 대기(Wait)하고, 조건이 충족되면 실행(Signal)하도록 하는 동기화 기법.
wait(),signal(),broadcast()같은 메서드를 사용하여 구현.- 보통 뮤텍스(Mutex)와 함께 사용하여 공유 자원을 보호.
🔹 주요 메서드
wait()→ 조건이 충족될 때까지 현재 스레드를 대기 상태로 변경.signal()→ 하나의 스레드를 깨워서 실행 가능 상태로 변경.broadcast()→ 대기 중인 모든 스레드를 깨움.
2. 모니터(Monitor)란?
- 뮤텍스 + 조건 변수의 조합으로, 공유 자원에 대한 동시 접근을 안전하게 관리하는 동기화 기법.
- 특정 코드 블록(= 크리티컬 섹션)에 한 번에 하나의 스레드만 접근하도록 제한.
📌 Java에서 synchronized 키워드를 사용하면 모니터 기능을 제공
synchronized를 사용하면 하나의 스레드만 해당 블록을 실행 가능.- 내부적으로 뮤텍스와 조건 변수 역할을 수행.
📌 조건 변수 & 모니터 예제
🔹 생산자-소비자(Producer-Consumer) 문제 해결
설명:
- 생산자(Producer): 버퍼에 데이터를 추가. 버퍼가 가득 차면 대기.
- 소비자(Consumer): 버퍼에서 데이터를 꺼냄. 버퍼가 비어 있으면 대기.
📌 Java 코드 (wait() & notify() 사용)
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
class SharedBuffer {
private final Queue<Integer> buffer = new LinkedList<>();
private final int MAX_SIZE = 5;
public synchronized void produce(int item) throws InterruptedException {
while (buffer.size() == MAX_SIZE) {
System.out.println("버퍼가 가득 참! 생산자 대기 중...");
wait(); // 버퍼가 가득 차면 대기
}
buffer.add(item);
System.out.println("생산됨: " + item);
notify(); // 소비자 깨우기
}
public synchronized int consume() throws InterruptedException {
while (buffer.isEmpty()) {
System.out.println("버퍼가 비었음! 소비자 대기 중...");
wait(); // 버퍼가 비었으면 대기
}
int item = buffer.poll();
System.out.println("소비됨: " + item);
notify(); // 생산자 깨우기
return item;
}
}
public class ConditionVariableExample {
public static void main(String[] args) {
SharedBuffer buffer = new SharedBuffer();
Thread producer = new Thread(() -> {
try {
for (int i = 1; i <= 10; i++) {
buffer.produce(i);
Thread.sleep(500); // 생산 속도 조절
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
Thread consumer = new Thread(() -> {
try {
for (int i = 1; i <= 10; i++) {
buffer.consume();
Thread.sleep(1000); // 소비 속도 조절
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
producer.start();
consumer.start();
}
}
📌 코드 설명
wait()과 notify()의 역할
wait()→ 현재 스레드를 대기 상태로 변경 (즉,wait()을 호출한 스레드는 CPU를 점유하지 않고 잠듦).notify()→ 대기 중인 스레드를 깨움 (하나의 스레드만 실행 가능).notifyAll()→ 모든 대기 중인 스레드를 깨움.
실행 흐름
-
생산자 스레드가 데이터를
buffer에 추가. -
버퍼가 가득 차면(wait) 생산자는 대기하고, 소비자가
notify()호출할 때까지 기다림. -
소비자 스레드가
buffer에서 데이터를 꺼냄. -
버퍼가 비면(wait) 소비자는 대기하고, 생산자가
notify()호출할 때까지 기다림. -
이 과정을 반복하여 버퍼가 가득 차거나 비었을 때 스레드가 대기 상태로 변경됨.
스레드 안전(Thread Safety)과
synchronized키워드
4️⃣ 스레드 안전(Thread Safety)란?
스레드 안전(Thread Safety)이란 멀티스레드 환경에서 여러 스레드가 동시에 공유 자원에 접근할 때, 프로그램이 예상대로 동작하는 것을 의미한다.
✅ 스레드 안전한 코드의 특징
- 데이터 정합성 유지 → 여러 스레드가 공유 자원을 변경해도 데이터가 일관되게 유지됨.
- 경쟁 조건(Race Condition) 방지 → 공유 자원 접근 순서에 따른 비정상적인 동작 방지.
- 데드락(Deadlock) 방지 → 여러 스레드가 서로의 락을 기다리며 무한 대기하는 현상 방지.
synchronized 키워드란?
Java에서 synchronized 키워드는 스레드 동기화(Thread Synchronization)를 제공하는 키워드로, 한 번에 하나의 스레드만 특정 블록(또는 메서드)에 접근하도록 보장한다.
✅ synchronized를 사용하면 어떤 효과?
- 공유 자원에 대한 동시 접근을 제한하여 데이터 정합성을 유지.
- 동기화된 블록을 한 번에 하나의 스레드만 실행 가능 (뮤텍스 역할
📌 교착 상태(Deadlock)란?
- 교착 상태(Deadlock)란 두 개 이상의 프로세스 또는 스레드가 서로 상대방의 자원을 기다리며 무한히 대기하는 상태를 의미한다.
즉, A 프로세스가 B의 자원을 기다리고, B 프로세스는 A의 자원을 기다리는 상황이 발생하면 교착 상태가 된다.
1. 교착 상태 발생 조건 (Necessary Conditions)
미국 컴퓨터 과학자 E. G. Coffman이 제시한 교착 상태 발생 4가지 조건이 동시에 만족할 때 교착 상태가 발생할 수 있다.
| 조건 | 설명 |
|---|---|
| 1️⃣ 상호 배제 (Mutual Exclusion) | 한 번에 한 개의 프로세스만 자원을 사용할 수 있어야 한다. |
| 2️⃣ 점유 및 대기 (Hold and Wait) | 프로세스가 이미 할당된 자원을 유지하면서 추가 자원을 요청할 수 있어야 한다. |
| 3️⃣ 비선점 (No Preemption) | 프로세스가 자원을 자발적으로 해제하지 않으면 강제로 빼앗을 수 없어야 한다. |
| 4️⃣ 순환 대기 (Circular Wait) | 두 개 이상의 프로세스가 서로 자원을 점유한 상태에서 순환적으로 대기하는 경우 발생한다. |
✅ 교착 상태를 해결하려면 이 네 가지 조건 중 하나 이상을 제거해야 한다.
2. 교착 상태 해결 방법
교착 상태를 해결하는 방법은 예방(Prevention), 회피(Avoidance), 탐지(Detection), 복구(Recovery)로 나뉜다.
✅ 1) 예방(Prevention)
🔹 교착 상태 발생 조건 중 하나 이상을 제거하여 발생을 원천 차단하는 방법.
단점: 자원의 활용도가 낮아질 수 있음.
| 해결 방법 | 교착 상태 발생 조건 제거 | 설명 |
|---|---|---|
| 상호 배제 방지 | 상호 배제 제거 | 모든 자원을 여러 프로세스가 동시에 사용할 수 있도록 함. (ex. 읽기 전용 파일) |
| 점유 및 대기 방지 | 점유 및 대기 제거 | 프로세스가 자원을 요청할 때 모든 자원을 한꺼번에 요청하도록 강제. (ex. 은행가 알고리즘) |
| 비선점 방지 | 비선점 제거 | 자원을 점유한 프로세스가 강제로 자원을 해제하도록 함. (ex. 높은 우선순위 프로세스가 자원을 빼앗음) |
| 순환 대기 방지 | 순환 대기 제거 | 자원에 순서를 부여하여 항상 낮은 번호의 자원부터 요청하도록 강제. |
✅ 예제 (점유 및 대기 방지)
synchronized (lockA) { // 자원 A 확보
synchronized (lockB) { // 자원 B 확보
// 안전한 코드 실행
}
}
✅ 순환 대기를 방지하기 위해 항상 lockA → lockB 순서로 자원을 획득.
✅ 2) 회피(Avoidance)
🔹 교착 상태가 발생할 가능성이 있는 요청을 사전에 차단하는 방법
대표적인 알고리즘: 은행가 알고리즘(Banker's Algorithm)
단점: 자원의 사용이 비효율적일 수 있음.
✅ 은행가 알고리즘 개념
- 프로세스가 자원을 요청하면, 해당 요청이 교착 상태를 유발하는지 검사.
- 교착 상태가 발생하지 않는 경우에만 자원 할당.
✅ 3) 탐지(Detection) 및 복구(Recovery)
🔹 교착 상태가 발생한 후 이를 탐지하고 복구하는 방법
단점: 교착 상태가 발생한 후 처리하므로 성능 저하 발생 가능.
| 방법 | 설명 |
|---|---|
| 탐지(Detection) | - 주기적으로 자원 할당 그래프(Resource Allocation Graph, RAG)를 분석하여 순환 대기 여부 확인. |
| 복구(Recovery) | - 교착 상태에 있는 프로세스를 강제 종료하거나, 일부 자원을 강제 회수하여 교착 상태를 해결. |
✅ 예제 (강제 종료 방법)
if (isDeadlocked()) {
process.terminate(); // 교착 상태 발생 시 특정 프로세스 종료
}
✅ 예제 (자원 선점 방법)
if (isDeadlocked()) {
process.releaseResource(); // 교착 상태 해소를 위해 자원 반환
}
3. 교착 상태 해결 방법 비교
| 방법 | 설명 | 장점 | 단점 |
|---|---|---|---|
| 예방(Prevention) | 교착 상태 발생 조건 제거 | 확실하게 방지 가능 | 자원의 활용도가 낮아질 수 있음 |
| 회피(Avoidance) | 안전한 상태에서만 자원 할당 (은행가 알고리즘) | 교착 상태 발생 가능성을 최소화 | 자원 사용이 비효율적 |
| 탐지 및 복구(Detection & Recovery) | 교착 상태 발생 후 탐지 및 해결 | 자원 활용도를 높일 수 있음 | 교착 상태 발생 후 해결해야 하므로 비용이 큼 |
4. 교착 상태 예제 (Java)
🔹 교착 상태 발생 예제
class DeadlockExample {
static final Object lockA = new Object();
static final Object lockB = new Object();
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread(() -> {
synchronized (lockA) {
System.out.println("Thread 1: lockA 획득");
try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
synchronized (lockB) {
System.out.println("Thread 1: lockB 획득");
}
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
synchronized (lockB) {
System.out.println("Thread 2: lockB 획득");
try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
synchronized (lockA) {
System.out.println("Thread 2: lockA 획득");
}
}
});
t1.start();
t2.start();
}
}
✅ 이 코드는 교착 상태(Deadlock)가 발생함!
Thread 1은lockA를 획득한 후lockB를 기다림.Thread 2는lockB를 획득한 후lockA를 기다림.- 서로 상대방이 가지고 있는 자원을 기다리며 무한 대기 상태(Deadlock)에 빠짐.
🔹 교착 상태 해결 방법 적용 (순서 고정)
class DeadlockSolution {
static final Object lockA = new Object();
static final Object lockB = new Object();
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread(() -> {
synchronized (lockA) { // 항상 lockA → lockB 순서로 획득
synchronized (lockB) {
System.out.println("Thread 1: 작업 완료");
}
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
synchronized (lockA) { // lockA → lockB 순서로 맞춰줌
synchronized (lockB) {
System.out.println("Thread 2: 작업 완료");
}
}
});
t1.start();
t2.start();
}
}
✅ 순서를 통일(lockA → lockB)하여 순환 대기를 방지함으로써 교착 상태 해결!
Ref. 📗《이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 with CS 기술 면접》, 강민철
