[CS] 교착 상태

교착 상태 (DeadLock)

교착 상태는 둘 이상의 프로세스가 다른 프로세스가 점유하고 있는 자원을 서로 기다리면서 무한 대기에 빠지는 상황을 일컫습니다.

즉, 한정된 자원을 여러 곳에서 사용하려고 하면서 프로세스가 자원을 얻지 못해서 다음 처리를 하지 못하는 상태입니다.

 

프로세스1과 프로세스2가 모두 자원1, 자원2를 얻어야 한다고 가정합니다.

t1 : 프로세스1이 자원1을 얻은 동시에 프로세스2는 자원2를 얻음

t2 : 프로세스1은 자원2를 기다리고 프로세스2는 자원1을 기다림

이처럼 현재 서로 원하는 자원이 상대방에게 할당되어 있어서 두 프로세스는 무한정 wait 상태에 빠지게 되는데 이러한 상황을 교착 상태라고 부릅니다.

 

교착 상태가 주로 발생하는 경우는 다음과 같습니다.

1. 멀티 프로그래밍 환경에서 한정된 자원을 얻기 위해 서로 경쟁하는 상황이 발생합니다.
2. 한 프로세스가 자원을 요청했을 때, 동시에 그 자원을 사용할 수 없는 상황이 발생합니다.
3. 이때, 프로세스는 대기 상태로 들어갑니다.
4. 대기 상태로 들어간 프로세스들이 실행 상태로 변경될 수 없을 때, 교착 상태가 발생합니다.

 

교착 상태의 발생 조건

교착 상태는 다음의 4가지 조건이 동시에 성립할 경우 발생합니다.

4가지 조건 중 하나라도 성립하지 않는다면 교착 상태를 해결할 수 있습니다.

• 상호 배제 (Mutual Exclusion)
  • 자원은 한 번에 한 프로세스만이 사용할 수 있습니다.
• 점유 대기 (Hold and Wait)
  • 최소한 하나의 자원을 점유하고 있으면서, 다른 프로세스에 할당되어 사용하고 있는 자원을 추가로 점유하기 위해 대기하는 프로세스가 있어야 합니다.
• 비선점 (No Preemption)
  • 다른 프로세스에 할당된 자원은 사용이 끝나서 반납할 때까지 강제로 빼앗을 수 없습니다.
• 순환 대기 (Circular Wait)
  • 프로세스의 집합 {\(P_0, P_1, ..., P_n\)} 에서 \(P_0\) 은 \(P_1\) 이 점유한 자원을 대기하고, \(P_1\) 은 \(P_2\) 가 점유한 자원을 대기하고, \(P_n\) 은 \(P_0\) 이 점유한 자원을 대기해야 합니다.
  • 이처럼 프로세스의 집합에서 순환 형태로 자원을 대기하고 있어야 합니다.

 

교착 상태의 처리

1. 예방 (Prevention)

교착 상태의 발생 조건 중 하나를 제거하면서 해결하는 방법입니다.

자원의 낭비가 심하다는 단점이 존재합니다.

• 상호 배제 부정 : 여러 프로세스가 공유 자원을 사용하도록 합니다.
• 점유 대기 부정 : 프로세스가 실행되기 전 필요한 모든 자원을 할당합니다.
• 비선점 부정 : 자원 점유 중인 프로세스가 다른 자원을 요구할 때, 점유 중인 자원을 반납하고 요구한 자원을 사용하기 위해 기다리게 합니다.
• 순환 대기 부정 : 자원에 고유한 번호를 할당하고, 번호 순서대로 자원을 요구하도록 합니다.

 

2. 회피 (Avoidance)

교착 상태가 발생하면 피해나가는 방법입니다.

이는 은행원 알고리즘이라고도 합니다.

은행원 알고리즘 (Banker's Algorithm)
은행에서 모든 고객의 요구가 충족되도록 현금을 할당하는데서 유래되었습니다.
프로세스가 자원을 요구할 때, 시스템은 자원을 할당한 후에도 안정 상태로 남아있게 되는지 사전에 검사하여 교착 상태를 회피합니다.
안정 상태면 자원을 할당하고, 그렇지 않다면 다른 프로세스들이 자원을 해제할 때까지 대기합니다.

 

3. 탐지 (Detection)

자원 할당 그래프를 통해 교착 상태를 탐지합니다.

• 프로세스 \(P_i\) → 자원 \(R_j\) : 프로세스 P가 자원 R을 요청하는 것으로 현재 이 자원을 기다리는 상태입니다.
• 자원 \(R_j\) → 프로세스 \(P_i\) : 자원 R이 프로세스 P에 할당된 것을 의미합니다.
• 자원을 요청할 때마다 탐지 알고리즘을 실행하므로 오버헤드가 발생합니다.

 

4. 회복 (Recovery)

교착 상태를 일으킨 프로세스를 종료하거나 할당된 자원을 해제함으로써 회복합니다.

• 프로세스를 종료하는 방법
  • 교착 상태의 프로세스를 모두 중지
  • 교착 상태가 제거될 때까지 하나씩 프로세스 중지
• 자원을 선점하는 방법
  • 교착 상태의 프로세스가 점유하고 있는 자원을 선점하여 다른 프로세스에게 할당
  • 해당 프로세스 일시 정지
  • 우선순위가 낮은 프로세스, 수행된 횟수가 적은 프로세스 등을 위주로 프로세스의 자원 선점