[운영체제] 교착상태 Deadlock

각자 일부 자원을 가지고 있으면서 상대방이 가지고 있는 자원을 요구하는 형태

The Deadlock Problem

• Deadlock
  • 일련의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 block된 상태
• Resource(자원)
  • 하드웨어, 소프트웨어 등을 포함하는 개념
  • (예) I/O device, CPU cycle, memory space, semaphore 등
  • 프로세스가 자원을 사용하는 절차
    • 요청 Request, 할당 Allocate, 사용 Use, 반납 Release
• Deadlock Example 1
  • 시스템에 2 개의 tape drive가 있따.
  • 프로세스 P1과 P2 각각이 하나의 tape drive를 보유한 채 다른 하나를 기다리고 있다.
• Deadlock Example 2
  • Binary semaphores A and B

Deadlock 발생의 4가지 조건

1. 상호 배제 (Mutual exclusion)
   • 매 순간 하나의 프로세스만이 자원을 사용할 수 있음
   • 프로세스가 자원을 독점적으로 사용함
2. 비 선점 (No preemption)
   • 프로세스는 자원을 스스로 내어놓을 뿐 강제로 빼앗기지 않음
3. 보유 대기 (Hold and wait)
   • 자원을 가진 프로세스가 다른 자원을 기다릴 때 보유 자원을 놓지 않고 계속 가지고 있음
4. 순환 대기 (Circular wait)
   • 자원을 기다리는 프로세스간에 사이클이 형성되어야 함
   • 프로세스 P0, P1, ..., Pn이 있을 때,
     • P0는 P1이 가진 자원을 기다림
     • P1은 P2가 가진 자원을 기다림
     • Pn-1은 Pn이 가진 자원을 기다림
     • Pn은 P0이 가진 자원을 기다림

Resource - Allocation Graph (자원할당 그래프)

• 프로세스 → 자원 : 프로세스가 자원을 요청함
• 자원 → 프로세스 : 자원이 프로세스에 속해있음
• 자원 내 동그라미 : 자원의 개수

• 그래프에 cycle이 없으면 deadlock이 아니다
• 그래프에 cycle이 있으면
  • 자원 당 인스턴스가 하나밖에 없으면 deadlock이다
  • 만약에 자원에 여러개의 인스턴스가 존재하면 deadlock일 가능성이 있다.
    • 첫 번째 그래프의 경우, 자원이 2개이지만 사이클도 2개가 존재하여 deadlock이다.
    • 두 번째 그래프의 경우, 자원이 2개이지만 사이클이 하나라서 deadlock이 아니다.

Deadlock의 처리 방법

1. Deadlock Prevention
   • 자원 할당 시 Deadlock의 4가지 필요 조건 중 어느 하나가 만족되지 않도록 하는 것
2. Deadlock Avoidance
   • 자원 요청에 대한 부가적인 정보를 이용해서 deadlock의 가능성이 없는 경우에만 자원을 할당
   • 시스템 state가 원래 state로 돌아올 수 있는 경우에만 자원 할당
3. Deadlock Detection and recovery
   • Deadlock 발생은 허용하되 그에 대한 detection(탐지) 루틴을 두어 deadlock 발견 시 recover
4. Deadlock Ignorance
   • Deadlock을 시스템이 책임지지 않음. 관여를 하지 않고, 프로세스가 느려지면 사람이 다른 프로세스를 죽이든지 함.
   • UNIX를 포함한 대부분의 OS가 채택

1, 2번 방법은 애초에 deadlock이 발생하지 않도록 함.

Deadlock Prevention

Deadlock Prevention은 Deadlock이 발생하는 조건 중 하나를 차단하여, deadlock이 발생하지 않도록 한다.

• Mutual Exclusion
  • 공유해서는 안되는 자원의 경우 반드시 성립해야 함
• Hold and Wait
  • 프로세스가 자원을 요청할 때 다른 어떤 자원도 가지고 있지 않아야 한다.
  • 방법 1. 프로세스 시작 시 모든 필요한 자원을 할당받게 하는 방법
    • 하지만 프로세스가 필요로 하는 자원이 매 순간마다 다를텐데, 이를 사용하지 않을 때까지 계속 소유하고 있으면 자원에 대한 비효율성 발생
  • 방법 2. 자원이 필요한 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 restore 할 수 있는 자원에서 주로 사용 (CPU, memory)
• Circular Wait
  • 모든 자원 유형에 할당 순서를 정하여 정해진 순서대로만 자원 할당
  • 예를 들어 순서가 3인 자원 Ri를 보유 중인 프로세스가 순서가 1인 자원 Rj을 할당받기 위해서는 우선 Ri를 release 해야 한다.

→ Utilization 저하, Throughput 감소, starvation 문제

Deadlock Avoidance

• Deadlock avoidance
  • 자원 요청에 대한 부가정보를 이용해서 자원 할당이 deadlock으로부터 안전(safe)한지를 동적으로 조사해서 안전한 경우에만 할당
  • 가장 단순하고 일반적인 모델은 프로세스들이 필요로 하는 각 자원별 최대 사용량을 미리 선언하도록 하는 방법임
• 동작 원리
  • 프로세스가 시작될 때 그 프로세스가 사용할 자원들의 최대량을 이미 알고있다고 가정한다. 그래서 어떤 프로세스가 자원 요청을 했을 때 내가 이 자원을 할당해주면 deadlock이 발생할 가능성이 있는 경우 자원의 여분이 있음에도 불구하고 할당해주지 않는다.
• safe state
  • 시스템 내의 프로세스들에 대한 safe sequence가 존재하는 상태
  • Deadlock avoidance는 safe state를 유지하려고 함
• state sequence
  • 프로세스의 sequence <P1, P2, ..., Pn>이 safe 하려면 Pi(1 ≤ i ≤ n)의 자원 요청이 "가용 자원 + 모든 Pj(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 기다린다
    • 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
    • 자원 종류 마다 하나의 인스턴스
      • Resource Allocation Graph Algorithm 사용
    • 자원 종류 마다 여러개의 인스턴스
      • Banker's Algorithm 사용

 Resource Allocation Graph Algorithm

• Claim edge Pi → Rj
  • 프로세스 Pi가 자원 Rj를 미래에 요청할 수 있음을 뜻함(점선으로 표시)
  • 프로세스가 해당 자원 요청시 request edge로 바뀜(실선)
  • Rj가 release되면 assignment edge는 다시 claim edge로 바뀐다.
• request edge의 assignment edge 변경시 (점선을 포함하여) cycle이 생기지 않는 경우에만 요청 자원을 할당한다.
• Cycle 생성 여부 조사시 프로세스의 수가 n일 때 O(n^2) 시간이 걸린다.

Banker's Algorithm

• 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 과정을 반복
• 하지만 굉장히 비효율적이다

Deadlock Detection and Recovery

• Deadlock Detection
  • Resource type당 single instance인 경우
    • 자원할당 그래프에서 cycle이 곧 deadlock을 의미
  • Resource type 당 multiple instance인 경우
    • Banker's algorithm과 유사한 방법 활용
• Wait-for graph 알고리즘
  • Resource type당 single instance인 경우
  • Wait -for graph
    • 자원할당 그래프의 변형
    • 프로세스만으로 node 구성
    • Pi가 가지고 있는 자원을 Pk가 기다리는 경우 Pk → Pj
  • Algorithm
    • Wait-for graph에 사이클이 존재하는지를 주기적으로 조사
    • O(n^2)

이 상황은 P2가 1개를 더 요청했기 때문에 위와 달리 deadlock이다.

• Recovery
  • Process termination
    • 방법 1. 교착 상태에 있는 프로세스를 모두 종료시킨다.
    • 방법 2. deadlock cycle이 제거될 때까지 프로세스를 하나씩 종료시킨다.
  • Resource Preemption
    • 비용을 최소화할 victim의 선정
    • safe state로 rollback 하여 process를 restart
    • Starvation 문제
      • 동일한 프로세스가 계속해서 victim으로 선정되는 경우 계속 취소되어 starvation 발생 가능
      • cost factor에 rollback 횟수도 같이 고려

Deadlock Ignorance

• Deadlock이 일어나지 않는다고 생각하고 아무러 조치도 취하지 않음
  • Deadlock이 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