[OS] 데드락(Deadlock, 교착 상태)이란?

1. 데드락(Deadlock)

운영체제에서 데드락(교착상태)이란, 시스템 자원에 대한 요구가 뒤엉킨 상태이다.

즉, 둘 이상의 프로세스가 다른 프로세스가 점유하고 있는 자원을 서로 기다릴 때 무한 대기에 빠지는 상황을 말한다.

2. 데드락(Deadlock)의 발생조건

데드락이 발생하기 위한 조건은 크게 4가지로 말할 수 있다.

- 상호 배제
  한 번에 프로세스 하나만 해당 자원을 사용할 수 있다. 사용 중인 자원을 다른 프로세스가 사용하려면 요청한 자원이 해제될 때까지 기다려야 한다.
- 점유 대기
   자원을 최소한 하나 보유하고, 다른 프로세스에 할당된 자원을 점유하기 위해 대기하는 프로세스가 존재해야 한다.
- 비선점
   이미 할당된 자원을 강제로 빼앗을 수 없다(비선점).
- 순환 대기
   대기 프로세스의 집합이 순환 형태로 자원을 대기하고 있어야 한다.

 

3. 데드락(Deadlock)의 해결법

데드락의 해결법을 크게 3가지로 분류할 수 있다.

- 데드락이 발생하지 않도록 예방(prevention) 하기
- 데드락 발생 가능성을 인정하면서도 적절하게 회피(avoidance) 하기
- 데드락 발생을 허용하지만 데드락을 탐지(detection)하여, 데드락에서 회복하기

 

4. 데드락 예방(Prevention)

데드락의 발생조건 4가지 중 하나라도 발생하지 않게 하는 것이 데드락을 예방하는 방법이다.

즉, 각각의 조건을 방지(부정)하여 데드락 발생 가능성을 차단한다.

- 자원의 상호 배제 조건 방지 : 한 번에 여러 프로세스가 공유 자원을 사용할 수 있게 한다.
   그러나 추후 동기화 관련 문제가 발생할 수 있다.
- 점유 대기 조건 방지 : 프로세스 실행에 필요한 모든 자원을 한꺼번에 요구하고 허용할 때까지 작업을 보류해서, 나중에 또다른 자원을 점유하기 위한 대기 조건을 성립하지 않도록 한다.
- 비선점 조건 방지 : 이미 다른 프로세스에게 할당된 자원이 선점권이 없다고 가정할 때, 높은 우선순위의 프로세스가 해당 자원을 선점할 수 있도록 한다.
- 순환 대기 조건 방지 : 자원을 순환 형태로 대기하지 않도록 일정한 한 쪽 방향으로만 자원을 요구할 수 있도록 한다.

 

이러한 조건을 방지해서 데드락을 예방하는 방법은 시스템의 처리량이나 효율성을 떨어트리는 단점이 발생할 수 있다.

다음에 살펴볼 데드락 회피법은 예방법보다는 조금 덜 제한적인 방법으로 예방법의 단점을 일부 해결할 수 있다.

5. 데드락 회피(Avoidance)

데드락 회피법에서는 Safe sequence, Safe state 등이 키워드이다.

시스템의 프로세스들이 요청하는 모든 자원을, 데드락을 발생시키지 않으면서도 차례로 모두에게 할당해 줄 수 있다면 안정 상태(safe state)에 있다고 말한다.

그리고 이처럼 특정한 순서로 프로세스들에게 자원을 할당, 실행 및 종료 등의 작업을 할 때 데드락이 발생하지 않는 순서를 찾을 수 있다면, 그것을 안전 순서(safe sequence)라고 부른다.

 

반면 불안정 상태는 안정 상태가 아닌 상황을 말한다. 즉, 데드락 발생 가능성이 있는 상황이며, 교착 상태(데드락)는 불안정 상태일 때 발생할 수 있다. 불안정 상태가 교착 상태보다 좀 더 큰 집합이다.(즉, 교착 상태가 불안정 상태의 부분집합)

이처럼 회피 알고리즘은 자원을 할당한 후에도 시스템이 항상 Safe state에 있을 수 있도록 할당을 허용하자는 것이 기본 특징이다.

이러한 특징을 살린 알고리즘으로 유명한 것이 은행원 알고리즘이다.

6. 은행원 알고리즘(Banker’s Algorithm)

다익스트라가 제안한 기법으로, 어떤 자원의 할당을 허용하는지에 관한 여부를 결정하기 전에, 미리 결정된 모든 자원들의 최대 가능한 할당량을 가지고 시뮬레이션 해서 Safe state에 들 수 있는지 여부를 검사한다. 즉, 대기중이 다른 프로세스들의 활동에 대한 교착 상태 가능성을 미리 조사하는 것이다.

어떤 자원 한 가지에 대해서 은행원 알고리즘을 시뮬레이션 해보자.

처음에 시스템이 총 12개의 자원을 가지고 있다고 가정하도록 하겠다.

 

P0~P2는 프로세스이고, Max는 각 프로세스마다 최대 자원 요청량, Allocation은 현재 프로세스에 할당 중인 자원의 양, Need는 남은 필요한 자원의 양(Max-Allocation)이다.

현재 t0일 때 프로세스에 할당된 자원의 합은 5+2+2=9개 입니다. 따라서 현재 Available 자원은 12 - 9 = 3개 이다.

여기서 Safe sequence를 찾아보려고 합니다. 순서가 <P1, P0, P2> 일 때 안전 순서를 만족한다.

• P1은 2개가 이미 할당되어 있고, 2개를 추가적으로 할당받기를(Need) 기다리고 있다. 현재 Available 자원은 3개이므로, 이 중에 2개를 P1에게 할당해 준다. => 현재 Available은 3 - 2 = 1개
• 실행이 끝난 P1은 자신에게 할당되어 있던 자원 4개를 모두 반납한다. => 현재 Available은 1 + 4 = 5개
• 현재 Available 자원이 5개이고, 이를 P0에게 모두 할당해 주면 P0도 실행 가능해진다. => 현재 Available은 5 - 5 = 0개 가 된다.
• 실행이 끝난 P0은 자신에게 할당되어 있던 자원 10개를 모두 반납한다. => 현재 Available은 0 + 10 = 10개
• 마지막으로 P2에게 자원 7개를 할당해 준다. => 현재 Available은 10 - 7 = 3개
• 실행이 끝난 P2는 자신에게 할당되어 있던 자원 9개를 모두 반납한다. => 현재 Available은 3 + 9 = 12개

 

이렇게 자원의 부족함 없이 올바르게 할당하여 모든 프로세스가 실행을 할 수 있었다.

만약 여기에서 P2 프로세스가 처음에 자원을 하나 더 할당받고 있었다면(즉, 2개가 아니라 3개) 운영체제가 가지고 있는 Available 자원은 12 - (5+2+3) = 2개 였을 것이다.

이 상황에서는 처음에 P1에게 2개를 모두 주고, P1이 실행이 끝나고 자원을 모두 반납해도 Available 자원은 2 + 2 = 4개 뿐이므로, 이 자원으로는 나머지 P0이나 P2 프로세스를 해결해 줄 수 없다. (모두 4개보다 많은 양의 자원을 필요로 하고 있으므로)

따라서 P0, P2는 자원을 할당받기를 계속 기다려야 할 것이다.

운영체제가 사전에 P2 프로세스가 자원을 하나 더 요청했을 때 할당해 주지 않고, P1이 먼저 끝나게 한다면 데드락이 발생하지 않았을 것이다. 그러므로 은행원 알고리즘을 사용해서 자원 할당량을 사전에 파악하고 데드락을 회피할 수 있도록 하면 될 것이다.

그러나 은행원 알고리즘의 경우, 이처럼 미리 최대 자원 요구량을 알아야 하고, 할당할 수 있는 자원 수가 일정해야 하는 등 사용에 있어 제약조건이 많고, 그에 따른 자원 이용도 하락 등 단점도 존재한다.

 

7. 데드락 탐지(Detection) 및 회복(Recovery)

먼저 시스템이 데드락 예방이나 회피법을 사용하지 않았을 때, 데드락이 발생할 수 있으니 여기에서 회복하기 위해 데드락을 탐지하고, 회복하는 알고리즘을 사용한다.

7-1. 탐지 기법

Allocation, Request, Available 등으로 시스템에 데드락이 발생했는지 여부를 탐색한다. 즉, 은행원 알고리즘에서 했던 방식과 유사하게 현재 시스템의 자원 할당 상태를 가지고 파악한다.
이 외에도 자원 할당 그래프를 통해 탐지하는 방법도 있다.

 

7-2. 회복 기법

데드락을 탐지 기법을 통해 발견했다면, 순환 대기에서 벗어나 데드락으로부터 회복하기 위한 방법을 사용한다.

- 단순히 프로세스를 1개 이상 중단시키기
   - 교착 상태에 빠진 모든 프로세스를 중단시키는 방법 : 계속 연산중이던 프로세스들도 모두 일시에 중단되어 부분 결과가 폐기될 수 있는 부작용이 발생할 수 있음
   - 프로세스를 하나씩 중단 시킬 때마다 탐지 알고리즘으로 데드락을 탐지하면서 회복시키는 방법 : 매번 탐지 알고리즘을 호출 및 수행해야 하므로 부담이 되는 작업일 수 있음
- 자원 선점하기: 프로세스에 할당된 자원을 선점해서, 교착 상태를 해결할 때까지 그 자원을 다른 프로세스에 할당해 주는 방법

 

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출처

https://chanhuiseok.github.io/posts/cs-2/

[운영체제] 데드락(Deadlock, 교착 상태)이란?