운영체제: 프로세스 동기화 - 교착상태

 프로세스 동기화가 적절히 설계되지 않아, 식사하는 철학자 문제처럼 모든 프로세스가 더 이상 작업을 진행할 수 없는 deadlock(교착상태)에 빠질 수 있다. 단순한 프로그램이 아닌, 운영체제에서 교착상태가 발생하는 것은 다소 치명적이다.

 

교착상태 필요 조건

• Mutual Exclusion : 한 프로세스가 자원을 사용 중이라면, 다른 프로세스는 사용할 수 없다.

• Hold and Wait : 한 프로세스가 특정 자원을 가진 상태에서 대기에 빠진다.

• No Preemption : 한 프로세스가 진행 중이라면, 다른 프로세스가 끼어들 수 없다.

• Circular Wait : 프로세스가 자원 획득을 위해 원형 방향을 이룬다. (식사하는 철학자)

 교착 상태는 위의 4가지 조건이 있을 경우, 발생할 가능성이 커지게 된다.

(필요 조건을 만족한다고 하여 무조건 발생하는 것은 아니다.) 

 

교착상태 처리

교착상태를 발생시키지 않기 위해서는 크게 2가지 방법으로 해결할 수 있다. 첫 번째는 교착상태를 방지하는 방법이며, 두 번째는 교착상태를 회피하는 방법이다.

 

교착상태 방지

• Mutual Exclusion : 이를 방지하기 위해서는 자원을 공유가능한 상태로 만들면 되지만, 불가능한 경우가 있다.

• Hold and Wait : 여러 개의 자원 획득이 필요하다면, 필요한 자원을 모두 사용가능할 경우에만 자원을 요청할 수 있도록 하여 방지할 수 있다. 하지만 이 같은 경우 자원 사용률을 떨어트리며 최악의 경우 starvation이 될 수도 있다.

• No Preemption : Preemption으로 변경하면 되지만, 자원에 따라 불가능한 경우도 있다.

• Circular Wait : 자원에 고유 번호를 지정하여 순서에 따라 자원을 요청하면 해결 할 수 있지만, 이 역시 자원 사용률을 떨어트리게 된다.

 

교착상태 회피

 교착상태 회피의 경우, 자원 할당 상태에 따라 Safe Allocation, Unsafe Allocation으로 구분한다. 예를 들어 자원 할당 상태에 따라 교착상태를 발생시키지 않으면 Safe Allocation이며, 이와 반대일 경우 Unsafe Allocation이다. 이는 Banker Algorithm을 통해 검출하며 이 역시 교착상태 발생 여부를 판단하여 자원을 할당하게 되므로 자원 활용률을 떨어트린다는 단점을 가지고 있다.

 

교착상태 검출 및 복구

 앞의 방법들은 사전에 교착상태가 일어나지 않도록 방지하거나, 회피하는 방식이었다. 이와 달리 검출 및 복구 방법은 교착상태를 허용하고 교착상태를 여부를 판단하여 복구가 가능하도록 하는 방법이다. 

 교착상태를 복구 하기 위해서는 교착상태 이전으로 복구 하거나, 교착상태를 발생시키는 프로세스를 강제 종료하여 자원을 선점할 수 있도록 하는 방법이 있다.

 교착상태 검출 및 복구를 위해 검출 주기를 설정하는 과정에서 딜레마에 빠지게 된다. 첫 번째로 검출 주기를 빈번하게 지정한다면 빠른 검출 및 복구가 가능하겠지만 해당 과정은 오버헤드가 되어 다른 작업에 영향을 미치게 될 것이다. 이와 반대의 경우, 주기가 길어지게 되면 검출 및 복구가 지연되어 정상적으로 복구되지 못하는 상황이 발생할 수 있다.

 

교착상태 무시

 실제 운영체제에서 교착상태는 드물며, 교착상태를 처리하기 위한 과정들이 오버헤드가 되는 환경에서는 교착상태에 대한 처리를 하지 않고 무시하는 경우도 있다.