요약
프로로세스가 자원 얻지 못해 다음 처리를 하지 못하는 상태를 말한다.
시스템적으로 한정된 자원을 여러 곳에서 사용하려고 할 때 발생하는 문제다.
교착 상태는 마치 차로 꽉 찬 도로처럼 꼼짝도 못하는 상황이다. 운영체제는 이러한 교착 상태를 어떻게 해결할까? 크게 세 가지 방법이 있다.
예방, 회피, 검출 후 회복
운영체제는 애초에 교착 상태가 일어나지 않도록 교착 상태 발생 조건에 부합하지 않게 자원을 분배하여 교착 상태를 예방할 수 있고, 교착 상태가 발생하지 않을 정도로 조금씩 자원을 할당하다가 교착 상태의 위험이 있다면 자원을 할당하지 않는 방식으로 교착 상태를 회피할 수도 있다. 그리고 자원을 제약 없이 할당하다가 교착 상태가 검출되면 교착 상태를 회복하는 방법을 취할 수도 있다.
교착 상태 예방
교착 상태를 예방하는 방법은 교착 상태 발생 조건 네 가지 중 하나를 충족하지 못하게 하는 방법과 같다. 즉, 프로세스들에 자원을 할당할 때 상호 배제, 점유와 대기, 비선점, 원형 대기 중 하나의 조건이라도 만족시키지 않게 할당하면 교착 상태는 발생하지 않는다.
📌 상호 배제를 없애보자
자원의 상호 배제를 없앤다는 말의 의미는 모든 자원을 공유 가능하게 만든다는 말과 같다. 다만 이 방식대로면 이론적으로는 교착 상태를 없앨 수 있지만, 현실적으로는 모든 자원의 상호 배제를 없애기는 어렵기에 이 방식을 현실에서 사용하기에는 무리가 있다.
📌 점유와 대기를 없애보자
이는 마치 식사하는 철학자 문제 속 철학자들로 하여금 한 손에 포크를 들고 다른 포크를 기다리지 못하게 금지하는 것과 같다. 포크를 두 개 동시에 들게 하거나, 아니면 아예 들지 못하게 하는 것이다. 점유와 대기를 없애면 운영체제는 특정 프로세스에 자원을 모두 할당하거나, 아예 할당하지 않는 방식으로 배분한다.
이 방식도 이론적으로는 교착 상태를 해결할 수 있지만, 단점도 있다. 우선 자원의 활용률이 낮아질 우려가 있다. 점유와 대기를 금지하면 한 프로세스에 필요한 자원들을 몰아주고, 그 다음에 다른 프로세스에 필요한 자원들을 몰아줘야 한다. 이는 당장 자원이 필요해도 기다릴 수밖에 없는 프로세스와 사용되지 않으면서 오랫동안 할당되는 자원을 다수 양산하기 때문에 자원의 활용률이 낮아진다.
이는 결국 많은 자원을 필요로 하는 프로세스가 무한정 기다리게 되는 기아 현상을 야기할 우려가 있다.
📌 비선점 조건을 없애보자
비선점 조건을 없애면 자원을 이용 중인 프로세스로부터 해당 자원을 빼앗을 수 있다. 식사하는 철학자 문제에서 철학자의 포크를 빼앗을 수만 있다면 교착 상태는 발생하지 않듯 자원의 비선점 조건을 없애면 교착 상태는 발생하지 않는다.
이 방식은 선점하여 사용할 수 있는 일부 자원에 대해서는 효과적이다. 가령 CPU는 프로세스들이 선점할 수 있는 대표적인 자원이다. 한 프로세스가 CPU를 이용하다가 일정 시간이 지나면 아직 작업이 모두 끝나지 않았다고 할지라도 다른 프로세스가 CPU를 할당받아 사용할 수 있기 때문이다.
하지만 모든 자원이 이렇게 선점 가능한 것은 아니다. 가령 프린터를 이용하는 도중에 다른 프로세스가 프린터 자원을 빼앗아 사용하기란 어렵다.
비선점 조건을 없애 모든 자원을 빼앗을 수 있도록 하여 교착 상태를 예방하는 것은 다소 범용성이 떨어지는 방안이다.
📌 원형 대기 조건을 없애보자
원형 대기를 없애는 방법은 간단하다. 모든 자원에 번호를 붙이고, 오름차순으로 자원을 할당하면 원형 대기는 발생하지 않는다.
예를 들어, 식사하는 철학자 문제에서 모든 포크에 1번부터 5번까지 붙이고, 철학자들로 하여금 번호가 낮은 포크에서 높은 포크순으로 집어들게 한다면 원형 대기는 발생하지 않는다.
원형 대기를 없앰으로써 교착 상태를 예방하는 방식은 앞선 세 방식에 비하면 비교적 현실적이고 실용적인 방식이지만, 역시 단점은 있다. 모든 컴퓨터 내에 존재하는 수많은 자원에 번호를 붙이는 일은 그리 간단한 작업이 아니고 각 자원에 어떤 번호를 붙이는지에 따라 특정 자원의 활용률이 떨어질 수 있다.
이렇듯 교착 상태의 발생 조건을 원천적으로 제거하여 교착 상태를 사전에 방지하는 예방 방식은 교착 상태가 발생하지 않음을 보장할 수는 있지만 여러 부작용이 따른다.
교착 상태 회피
교착 상태 회피는 교착 상태가 발생하지 않을 정도로만 조심 조심 자원을 할당하는 방식이다.
교착 상태 회픠 방식에서는 교착 상태를 한정된 자원의 무분별한 할당으로 인해 발생하는 문제로 간주한다.
프로세스들에 할당할 수 있는 자원이 충분한 상황에서 프로세스들이 한두 개의 적은 자원만을 요구한다면 교착 상태를 발생하지 않는다.
식사하는 철학자 문제를 생각해보면 포크가 100개, 1000개 있는 상태에서 철학자들이 한두 개의 포크를 요구하면 교착 상태는 발생하지 않는다. 반면 포크의 양이 충분하지 않은 상태에서 철학자들이 모두 자신이 요구할 수 있는 최대의 포크(두 개)를 요구하면 교착 상태가 발생한다.
그렇기 대문에 프로세스들에 배분할 수 있는 자원의 양을 고려하여 교착 상태가 발생하지 않을 정도의 양만큼만 자원을 배분하는 방법이 교착 상태 회피이다.
교착 상태를 회피하는 방법을 학습하기 위해서는 안전 상태와 불안전 상태, 그리고 안전 순서열이라는 용어를 알아야한다. 교착 상태가 발생하지 않고 모든 프로세스가 정상적으로 자원을 할당받고 종료될 수 있는 상태를 안전 상태라고 부르고, 교착 상태가 발생할 수도 있는 상황을 불안전 상태라고 부른다.
교착 상태 검출 후 회복
교착 상태 예방과 회피는 교착 상태 발생을 막기 위한 노력이었다면, 교착 상태 검출 후 회복은 교착 상태 발생을 인정하고 사후에 조치하는 방식이다.
검출 후 회복 방식에서 운영체제는 프로세스들이 자원을 요구할 때마다 그때그때 모두 할당하며, 교착 상태 발생 여부를 주기적으로 검사한다. 그리고 교착 상태가 검출되면 그때 비로소 다음과 같은 방식으로 회복한다.
📌 선점을 통한 회복
선점을 통한 회복은 교착 상태가 해결될 때까지 한 프로세스씩 자원을 몰아주는 방식이다. 교착 상태가 해결될 때까지 다른 프로세스로부터 자원을 강제로 빼앗고 한 프로세스에 할당하는 방식이다.
📌 프로세스 강제 종료를 통한 회복
프로세스 강제 종료를 통한 회복은 가장 단순하면서 확실한 방식이다. 운영체제는 교착 상태에 놓인 프로세스를 모두 강제 종료할 수도 있고, 교착 상태가 없어질 때까지 한 프로세스씩 강제 종료할 수도 있다. 전자는 한 방에 교착 상태를 해결할 수 있는 가장 확실한 방식이지만 그만큼 많은 프로세스들이 작업 내역을 잃게 될 가능성이 있고, 후자는 작업 내역을 잃는 프로세스는 최대한 줄일 수 있지만 교착 상태가 없어졌는지여부를 확인하는 과정에서 오버헤드를 야기한다.
여담으로 교착 상태를 아예 무시하는 방법도 있다. 드물게 발생하는 잠재적 문제를 무시로 대처하는 방식은 타조 알고리즘이라는 이름을 가진 방식이다.
⭐️ 교착상태 해결 방법 4가지
- 예방
- 회피
- 검출 후 회복
- 무시
