[운영체제] 교착 상태(데드락, DeadLock)

0. 서론

데드락은 두 개 이상의 프로세스나 스레드가 서로 자원을 얻지 못해서 다음 처리를 하지 못하는 상태를 의미한다.

이로 인해, 무한히 다음 자원을 기다리게 되는 상태를 말한다.

시스템적으로 한정된 자원을 여러 곳에서 사용하려고 할 때 발생한다.

프로세스 1과 2가 자원 1, 2를 모두 얻어야 하는 경우

t1: 프로세스 1이 자원 1을 얻음 / 프로세스 2가 자원 2를 얻음

t2: 프로레스 1은 자원2를 기다림 / 프로레스 2는 자원 1을 기다림

현재 서로 원하는 자원이 상대방에 할당되어 있어서 두 프로세스는 무한정 wait 상태에 빠지게 되는 이 상황을 DeadLock이라고 부른다.

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

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1. 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

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2. 데드락(DeadLock) 처리

2-1. 교착 상태를 예방 & 회피

1. 예방(prevention)
   교착 상태 발생 조건 중 하나를 제거하면서 해결한다 (자원 낭비 엄청 심함)
   • 상호배제 부정 : 여러 프로세스가 공유 자원 사용
   • 점유대기 부정 : 프로세스 실행전 모든 자원을 할당
   • 비선점 부정 : 자원 점유 중인 프로세스가 다른 자원을 요구할 때 가진 자원 반납
   • 순환대기 부정 : 자원에 고유번호 할당 후 순서대로 자원 요구
2. 회피(avoidance)
   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
   • 자원 할당 그래프 알고리즘(Resource-Allocation Graph Algorithm)
     • 자원과 프로세스에 대해 요청 간선과 할당 간선을 적용하여 교착 상태를 회피하는 알고리즘
     • 프로세스가 자원을 요구 시 요청 간선을 할당 간선으로 변경 했을 시 사이클이 생성 되는지 확인한다
     • 사이클이 생성된다 하여 무조건 교착상태인 것은 아니다
       • 자원에 하나의 인스턴스만 존재 시 교착 상태로 판별한다
       • 자원에 여러 인스턴스가 존재 시 교착 상태 가능성으로 판별한다
     • 사이클을 생성하지 않으면 자원을 할당한다

2-2. 교착 상태를 탐지 & 회복

교착 상태가 되도록 허용한 다음 회복시키는 방법

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