교착상태와 기아상태

1. 5 교착상태와 기아상태

2. 학습목표 • 교착상태의 원리를 이해한다. • 교착상태 해결을 위한 예방, 회피, 탐지, 회복을 알아본다. • 기아상태 해결을 위해‘식사하는 철학자 문제’를 살펴본다. • 내용 • 교착상태 개요 • 교착상태 해결 기법 • 교착상태 탐지 • 교착상태 회복 기법 • 기아상태

3. 1. 교착상태 개요 • 교착상태(Deadlock)의 개념 • 시스템 측면에서 자원의 요구가 뒤엉킨 상태. • 한프로세스 집합 내의 프로세스들에 의해 발생할 사건(Event)을 프로세스들이 서로 기다리고 있는 상태. • 둘 이상의 작업이 보류 상태에 놓여 중요한 자원을 이용하기 위해 기다릴 때 발생함. • 제한된 자원 이용률을 높이고 시스템 효율성을 증가시키기 위해 사용하는 병행 처리 기술과 자원 공유에 따른 부작용임. [그림 5-1] 교착상태의 예: 교통마비 상태

4. 1. 교착상태 개요 • 초기 일괄처리 시스템 • 사용자들이 작업 제어카드에 작업을 완료하기 위해 필요한 자원을 명시하여 교착상태가 자주 발생하지 않음. • 운영체제가 요청한 자원이 준비 큐로 이동하기 전 사용 가능 여부를 확인하여 할당. • 자원이 확보되지 않으면 작업이 준비 큐로 이동할 수 없어 교착상태가 발생하지 않음. • 대화식 시스템 • 동적 자원 공유로 자원의 이용도를 높이는 과정에서 교착상태 발생. • 예 1 : DVD드라이브와 프린트가 각각 하나씩 존재하고 다음과 같은 경우. • - 프로세스 P : DVD드라이브 점유 → 프린터 요청 • - 프로세스 Q : 프린터 점유 → DVD드라이브 요청 • 예 2: 테이프 드라이브가 3개 존재하고 다음과 같은 경우. • - 프로세스P : 테이프 드라이브 점유 • - 프로세스 Q : 테이프 드라이브 점유 • - 프로세스 R : 테이프 드라이브 점유 또 다른 테이프 드라이브 요청 [그림5-2] 교착상태 예

5. 1. 교착상태 개요 • 프로세스는 다음 순서로 자원을 이용. • 요청 - 프로세스가 필요한 자원을 요청함. - 요청이 즉시 받아들여지지 않으면 다른 프로세스가 사용 중이므로 할당 받을 때까지 대기함. • 사용 - 프로세스가 요청한 자원을 사용. • 해제 - 프로세스가 자원 사용을 마친 후, 할당 받은 자원을 되돌려 줌. • 자원의 요청과 해제그리고파일이나 입출력 장치를 읽거나 쓰는 자원의 사용도 시스템 호출에 의해 이루어짐. • 운영체제는 프로세스가 자원 요청 시, 할당 받을 수 있도록 항상 확인하고 기록함.

6. 1. 교착상태 개요 • 교착상태 발생 • 파일을 요청할 때의 교착상태 • 파일을 이용해 작업이 실행되는 동안, 파일에 대한 다른 작업의 점유 요청이 인정되면 교착 상태 발생. • 파일 요청 시 발생하는 교착상태 예. (그림 5-3) - 두 개의 프로세스(판매, 재고)와 두 개의 파일(공급자 파일, 재고 파일) 자원을 이용한 교착상태 표현. - 할당 요구 순서는 아래와 같음. ① 프로세스 1(판매)은 판매 계획을 위해 공급자 파일을 요청해서 얻는다(할당). ② 프로세스 2(재고)는 재고 확인을 위해 재고 파일을 요청해서 얻는다(할당). ③ 프로세스 1은 주문 요청한 판매를 위해 재고 파일을 요청하지만 허용되지 않는다. ④ 프로세스 2는 주문을 위해 공급자 파일을 요청하지만 허용되지 않는다. [그림5-3] 파일을 요청할 때의 교착상태

7. 1. 교착상태 개요 • 전용장치를 할당할 때의 교착상태 • 전용장치 할당 시 발생하는 교착 상태 예. - 두 사용자(프로세스 1, 프로세스 2)가 각각 테이프 드라이브 한 대를 사용하고, 한 테이프에서 다른 테이프로 복사하는 작업을 할 경우. - 할당 요구 순서는 다음과 같이 이루어진다 가정함. ① 프로세스 1은 테이프 드라이브 1을 요청해서 얻는다(할당). ② 프로세스 2는 테이프 드라이브 2를 요청해서 얻는다(할당). ③ 프로세스 1은 테이프 드라이브 2를 요청하지만 허용되지 않는다. ④ 프로세스 2는 테이프 드라이브 1을 요청하지만 허용되지 않는다. • 다중 주변 장치를 할당할 때의 교착 상태 • 다중 주변 장치 할당 요구에 의한 교착 상태 예. - 세 개의 프로그램(프로세스 1, 프로세스 2, 프로세스 3)과 세 개의 전용 장치(테이프 드라이브, 프린터, 플로터)를 사용하는 경우. - 할당 요구 순서는 아래와 같다 가정함. ① 프로세스 1은 테이프 드라이브를 요청해서 얻는다(할당). ② 프로세스 2는 프린터를 요청해서 얻는다(할당). ③ 프로세스 3은 플로터를 요청해서 얻는다(할당). ④ 프로세스 1은 프린터를 요청하지만 허용되지 않는다. ⑤ 프로세스 2는 플로터를 요청하지만 허용되지 않는다. ⑥ 프로세스 3은 테이프 드라이브를 요청하지만 허용되지 않는다. [그림5-4] 장치 할당 요구에 의한 교착상태

8. 1. 교착상태 개요 • 스풀링 시스템에서의 교착상태 • 스풀링 시스템에서 디스크에 할당된 스풀 공간의 출력이 완료되지 않은 상태에서 다른 작업이 스풀 공간을 모두 차지하면 교착상태가 발생. • 스풀링 처리부(Input Spooler)에 필요량보다 많은 공간을 배당하여 교착상태 발생률을 줄일 수 있으나 비용이 많이 듬. • 스풀링 파일의 ‘일정 포화 임계치(Saturation Threshold)’를 설정하여 교착 상태 예방가능하나 시스템의 처리량이 줄어들 수 있음. - 예 : 약 75% 정도에 이르면 새로운 작업을 읽어 들이지 못하도록 하여 교착상태를 예방. • 디스크를 공유할 때의 교착상태 • 디스크는 대표적인 공유 자원으로, 사용에 대한 제어가 없다면 교착상태가 발생할 수 있음. • 디스크 공유 시 발생하는 교착상태 예. • - 프로세스 P1이 실린더 55의 내용을 읽도록 명령함. • - 디스크 헤드는 실린더 55로 이동, P1은 중지상태가 되고 입출력 채널은 다음 입출력을 요구함. • - 프로세스 P2가 입출력 채널 제어권을 넘겨받아 실린더 245에 위치한 레코드에 쓰기를 명령함. • - 디스크 헤드는 실린더 245로 이동, P2는 중지상태. • - 입출력 채널 제어권은 다시 P1으로 이동, P1은 실린더 55의 코드 읽기를 명령함. • - 디스크 헤드는 실린더 55로 이동, P2는 입출력 채널 제어권을 넘겨받아 다시 명령함. [그림5-5] 디스크 제어기가 프로세서와 독립적으로 작동할 때의 교착상태

9. 1. 교착상태 개요 • 네트워크에서의 교착상태 • 네트워크가 붐비거나 입출력(I/O) 버퍼 공간이 부족한 네트워크 시스템이 메시지 흐름을 제어하는 적절한 프로토콜을 가지지 못한 경우 교착상태 발생. • 네트워크에서 발생하는 교착상태 예. (그림 5-6) - 화살표는 메시지 흐름을 나타냄. - 노드 N6, N7에서 출발하여 목적지가 N2인 메시지는 N1의 출력 큐에 임시 저장됨. - N3, N4에서 출발하여 N1이 목적지인 메시지는 N2의 출력 큐에 임시 저장됨. - N1의 버퍼 공간이 부족할 때 N1은 N2로부터 메시지를 수신할 수 없음. - N2의 버퍼 공간이 부족할 때 N1이나 다른 노드로부터 메시지를 수신할 수 없다면, N1과 N2사이의 통신 선로는 교착상태에 빠짐. - N1은 N6, N7로부터 메시지를 전송 받을 수 있으나, N2로 전송이 불가능하므로 교착상태에 빠짐. [그림5-6] 네트워크에서의 교착상태

10. 1. 교착상태 개요 • 교착상태 발생 조건 • 다음 네 가지 조건이 동시에 발생할 때, 즉필요충분조건이 성립될 때 발생. • 상호배제 - 자원이 최소 하나 이상 비공유, 즉 한 번에 한 프로세스만 해당 자원을 사용할 수 있어야 함. - 사용 중인 자원을 다른 프로세스가 사용하려면 요청한 자원이 해제될 때까지 대기해야 함. • 점유와 대기 - 최소한 자원 하나를 보유하고 다른 프로세스에 할당된 자원을 얻기 위해 기다리는 프로세스가 있어야 함. • 비선점 - 자원은 선점될 수 없음. 즉 자원을 강제로 뺏을 수 없으며 자원을 점유하고 있는 프로세스가 끝나야 해제됨. ※ 위의 세 가지 조건으로 발생할 수 있으나, 발생하지 않을 수도 있으며, 교착상태 발생에는 반드시 아래의 조건이 요구됨. • 순환대기 - 대기 프로세스 집합 {P0, P1, …, Pn}이 있을 때, P0은 P1이 보유하고 있는 자원을, P1은 P2, P2 는 P3, Pn-1은 Pn, Pn 은 P0이 보유하고 있는 자원을 각각 얻기 위해 대기하는 경우. [그림5-7] 순환대기의 교착상태

11. 1. 교착상태 개요 • 강 건너기 교착상태 예. (그림 5-8) • 여러 개의 돌로 된 징검다리가 있는 강을 건너는 경우. • 징검다리의 돌 하나는 한 쪽에서 한 사람만 디딜 수 있음(상호배제 성립). • 강을 건너는 사람을 프로세스, 징검다리의 돌을 자원이라 가정함. - 두 사람이 동시에 서로 다른 방향에서 출발, 강 중간에서 만나면 교착상태가 발생했다 할 수 있음. - 돌을 딛는 것을 자원 할당, 발을 떼는 것을 자원 해제로 볼 때 동시에 같은 돌을 디디려 하면 교착상태가 발생함. - 각 사람은 돌 하나를 딛고 다음 돌을 요구함(점유와 대기 조건 만족). - 사람이 딛고 있는 돌을 강제로 제거할 수 없음(비선점 조건 만족). - 왼쪽에서 오는 사람은 오른쪽 사람을, 오른쪽에서 오는 사람은 왼쪽 사람을 기다림(순환대기 조건 만족). • 해결 방법 ① 둘 중 한 사람이 되돌아간다(복귀). ② 강을 건너기 전에 상대편 강 쪽을 확인하고 출발한다. ③ 강의 한쪽 편에 우선권을 부여한다. [그림5-8] 강 건너기 교착상태

12. 1. 교착상태 개요 • 자원 할당 그래프를 이용한 교착상태 표현 • 방향 그래프인 시스템 자원 할당 그래프를 이용하여 교착 상태 기술. • G = (V, E)로 구성, 정점 집합(V)은 두 가지 형태로 나뉨. - 프로세스 집합인 P = {P1, P2, …, Pn} - 시스템 내의 모든 자원들로 구성된 간선 집합(E)인 R = {R1, R2, …, Rn} • 집합 E의 각 원소는 (Pi, Rj)나 (Rj, Pi) 같은 순서쌍으로 나타내고, Pi로 프로세스를, Rj로 자원을 표시함. - Pi → Rj(요청 연결선) : 프로세스 Pi에서 자원 형태 Rj로의 연결선, 프로세스 Pi가 자원 형태 Rj를 요청하는 상태를 의미함(대기). - Rj → Pi (할당 연결선) : 자원 형태 Rj에서 프로세스 Pi로의 연결선, 자원형태 Rj가 프로세스 Pi에 할당됨을 의미함(할당). • 자원 할당 그래프에 사이클이 존재 시, 원형 안의 프로세스와 자원이 교착 상태에 있음을 의미. [그림5-9] Pi → Rj 와 Rj → Pi 그래프 [그림5-10] P1, P2 가 교착상태

13. 1. 교착상태 개요 • 자원 할당 그래프 표현 • 프로세스 Pi는 원, 자원 형태 Rj는 사각형으로 표기함. • 원 안에 그려진 작은 원(검은색 점)은각 집합체의 자원 개수를 나타냄. • 할당 연결선은 사각형 안의 작은 점 하나를 가리키고, 요청 연결선은 사각형 Rj만을 가리킴. - 프로세스 Pi가 자원 형태 Rj의 한 자원을 요청하면, 요청 연결선을 자원 할당 그래프 안에 삽입함. - 요청이 만족 시 요청 연결선은 즉시 할당 연결선으로 변환, 프로세스가 자원을 해제하면 할당 연결선은 삭제됨. • [그림 5-11]의 자원 할당 그래프는 다음 상황을 의미함. - 집합 P, R, E P = {P1, P2, P3} R = {R1, R2, R3, R4} E = {P1→R1, P2→R3, R1→P2, R2→P2, R2→P1, R3→P3} - 자원의 사례 * 자원 형태 R1은 한 개다. * 자원 형태 R2는 두 개다. * 자원 형태 R3는 한 개다. * 자원 형태 R4는 세 개다. [그림5-11] 자원 할당 그래프

14. 1. 교착상태 개요 • 자원 할당 그래프 표현 • [그림 5-11]의 자원 할당 그래프는 다음 상황을 의미함. - 프로세스 상태 * 프로세스 P1은 자원 R2의 한 개를 점유하고, 자원 R1을 기다린다. * 프로세스 P2는 자원 R1과 R2를 각각 한 개씩 점유하고, 자원 R3을 기다린다. * 프로세스 P3은 자원 R3을 점유하고 있다. • 그래프의 주기가 없다면 시스템에 교착 상태가 발생하지 않음. • 각 자원 형태가 정확히 자원 하나만 가진다면 주기는 교착상태임을 암시. • 주기가 하나뿐인 자원 집합에만 연관되어 있다면 각각 자원을 하나만 가지므로 교착상태 발생. • 주기에 포함된 각 프로세스는 교착상태에 있으며, 이 경우에 그래프의 주기는 교착상태의 필요충분 조건이 됨. [그림5-11] 자원 할당 그래프

15. 1. 교착상태 개요 • 여러 개의 자원에 주기가 있어도 반드시 교착상태의 발생을 의미하지 않음. • 그래프의 주기는 교착상태 발생의 필요 조건이기 때문. • [그림 5-12] 교착상태의 그래프 - 프로세스 P3이 자원 형태 R2의 자원을 요청한다 가정함. - 사용 가능한 자원이 없으므로 요청 연결선 P3 → R2를 그래프에 추가. - 이 시점에서 두 개의 주기가 시스템에 존재함 ① P1 → R1 → P2 → R3 → P3 → R2 → P1 ② P2 → R3 → P3 → R2 → P2 [그림5-12] 교착상태의 그래프

16. 1. 교착상태 개요 • [그림 5-13] 사이클이 있으나 교착상태가 아닌 그래프 - 주기는 있으나 교착상태는 없음. - 프로세스 P4가 자원 R2를 해제할 수 있으며, 해제한 자원을 P3에 할당하면 주기가 없어짐. * P1 → R1 → P3 → R2 → P1 ※ 자원할당 그래프에 주기가 없다면 시스템은 교착상태가 아님. ※ 주기가 있다면 시스템은 교착상태일 수도 있고, 아닐 수도 있음. [그림5-13] 사이클이 있으나 교착상태가 아닌 그래프

17. 2. 교착상태 해결 기법 • 교착상태 해결 기법 • 교착상태를 해결하는 기법은 크게 3가지로 나뉨. • 시스템이 교착상태가 되지 않도록 예방(방지)하는 것. • 가능한 교착상태를 회피하는 것. • 교착상태를 허용하되 교착상태에서 다시 회복할 수 있게 하는 것. - 사용하기 어렵고 오버헤드가 증가하므로 교재에서 살펴보지 않음. • 교착상태 예방 기법 • 4가지의 교착상태 조건 중 하나라도 발생하지 않도록 함. • 상호배제 문제는 고려해야 함. - 전용자원에서는 교착상태가 발생하지 않으므로 프로세스가 원하는 자원을 배타적으로 사용하려는 것은 제외시켜야 함. • 하벤더(Havender, 1986년)가상호배제를 제외한 세 가지 기본 방법 제안. ① 각프로세스는 한 번에 필요한 모든 자원을 요구해야 하며, 요청한 자원을 모두 제공받기 전까지는 작업을 진행할 수 없음. ② 어떤 자원을 점유하고 있는 프로세스의 요구가 더 이상 허용되지 않으면 점유한 자원을 모두 반납하고 필요할 때 다시 자원을 요구해야 함. ③ 모든 프로세스에 자원을 순서대로 할당해야 함. 모든 프로세스에 각 자원 유형별로 할당 순서를 부여한 후, 순서에 따라 자원을 요구.

18. 2. 교착상태 해결 기법 • 상호배제 조건 방지 • 상호배제 조건은 자원의 비공유를 전제로 함. - 공유 가능한 자원들은 배타적인 접근을 요구하지 않으므로 교착상태가 발생하지 않음. • 일반적으로 상호배제 조건을 거부하면 교착상태를 예방하는 것이 불가능함. - 어떤 자원은 공유 자체가 불가능한 것도 있음. • 파일 쓰기는 배타적인 접근만이 허용되어야 함. - 하나 이상의 프로세스가 쓰기 권한을 가지면 교착상태가 발생할 가능성이 있음. • 점유와 대기 조건 방지 • 최대 자원 할당. - 프로세스가 작업을 수행하기 전에 필요한 모든 자원을 요청하고 획득해야 함. - 보류 상태에서는 프로세스가 자원을 점유할 수 없으므로 대기 조건이 성립하지 않음. • 점유와 대기 조건 방지를 위한 두 가지 방법. - 모든 프로세스는 자원을 요청하고 사용할 수 있음. - 프로세스가 자원을 더 요청하려면, 먼저 자신에게 할당된 자원을 해제해야 함. ① 자원 할당 시 시스템 호출된 프로세스 하나의 실행에 필요한 모든 자원을 먼저 할당하여 실행시킨 후 다른 시스템 호출에 자원을 할당함. ② 프로세스가 자원을 전혀 갖고 있지 않을 때만 자원을 요청할 수 있도록 허용함.

19. 2. 교착상태 해결 기법 • 단점 ① 자원의 효율성이 낮음. - 많은 자원이 사용되지 않으면서 오랜 시간 할당되기 때문. ② 기아상태 발생이 가능함. - 자주 쓰는(이용하는) 자원이 다른 프로세스에 할당된 경우, 자원을 요청한 프로세스는 무한히 기다려야 하는 경우가 발생. - 적은 수의 자원을 요청한 프로세스의 우선순위가 높으므로, 많은 수의 자원을 요청한 프로세스의 대기 시간이 길어질 수 있음. • 비선점 조건 방지 • 이미 할당된 자원에 대한 선점권이 없어야 한다는 전제 조건을 가짐. - 어떤 자원을 가진 프로세스가 자원 요청 시 기다려야 한다면, 프로세스는 현재 가진 자원을 모두 해제함. - 프로세스가 작업을 시작하려면 요청한 새로운 자원과 해제한 자원을 확보해야 함. - 작업 상태를 쉽게 저장 및 복구 가능할 때 또는 빈번하게 발생하지 않을 때만 좋은 수단으로 이용 가능. • 두 가지 대안 제시됨. ① 프로세스가 어떤 자원을 요청할 때, 요청한 자원이 사용 가능한지 검사. - 사용 가능하다면 자원 할당, 사용 불가능한 경우 대기 프로세스가 요청한 자원을 점유하고 있는지 검사. - 요청한 자원을 대기 프로세스가 선점하고 있다면, 자원을 해제하고 요청 프로세스에 할당. - 요청한 자원을 사용할 수 없거나, 실행 중인 프로세스가 점유하고 있으면 요청 프로세스는 대기. ② 두 프로세스에 우선순위를 부여하여, 높은 우선순위의 프로세스가 그보다 낮은 순위의 프로세스가 점유한 자원을 선점하여 해결. - 프로세서 레지스터나 기억장치 레지스터와 같이 쉽게 저장되고 이후 복원이 쉬운 자원에 이용.

20. 2. 교착상태 해결 기법 • 순환대기 조건 방지 • 계층적 요구 기법. - 모든 자원에 일련의 순서를 부여, 각 프로세스는 오름차순으로만 자원을 요청할 수 있게 함. - 순환대기의 가능성을 제거하여 교착상태를 예방. - 예상된 순서와 다르게 자원을 요구하는 작업은 자원 낭비를 초래함. • R = {R1, R2, …, Rn}을 자원 형태 집합이라 가정하고, 각 자원 형태에 고유 숫자를 부여. • 1:1 함수인 ‘F:R → N’으로 정의 가능하며, N은 자연수 집합을 의미함. ① 프로세스는 임의의 자원 Ri을 요청할 수 있지만 그 다음부터는 ‘F(Rj) > F(Ri)’인 경우에만 자원 형태 Rj를 요청할 수 있음. - 각 프로세스는 오름차순으로만 자원들을 요청할 수 있으며, 데이터 형태 자원이 여러 개 필요한 경우 우선 요청할 형태 자원 하나를 정해야 함. ② 프로세스가 자원 형태 Rj을 요청할 때마다 ‘F(Ri) ≥ F(Rj)’가 되도록 Rj의 모든 자원을 해제. • 모순에 의한 증명 - 순환대기가 성립한다는 가정에서 사실의 성립. - 순환대기의 프로세스 집합을 {P0, P1, …, Pn}이라 가정하며, Pi는 프로세스 Pi+1이 점유하고 있는 자원 Ri를 대기함 (첨자는 모듈 n이며, Pn은 P0이 점유하고 있는 자원 Rn을 대기). - 프로세스 Pi+1은 자원 Ri+1을 요청하는 동안 자원 Ri를 점유하고 있으므로, 모든 i에 대하여 ‘F(Ri) < F(Ri+1)’이 성립되어야 함. - 이는 ‘F(R0) < F(R1) < … < (Rn) < F(R0)’이 성립함을 의미함. - 즉, ‘F(R0) < F(R0)’는 불가능하므로, 여기에 순환대기가 있을 수 없음. - 함수 F는 시스템에 있는 자원의 정상적인 이용 순서에 따라서 정의되어야 함.

21. 2. 교착상태 해결 기법 • 계층적 요구의 단점 - 순환대기 조건 가능성을 제거하여 교착상태를 예방하지만, 반드시 그 자원이 가진 번호 순서로 요구해야 한다는 부담(자원 요구순서 예측)이 있음. - 번호 부여 시 실제로 자원을 사용하는 순서를 반영해야 함. ※ 운영체제의 중요한 목적 중 하나는 사용자가 이용하기 편리한 작업 환경을 제공하는 것. ※ 하벤더의 순서 배정법은 순환대기의 가능성을 제거했으나, 사용자가 손쉽고 편리하게 응용 프로그램을 작성하는데 어려움. ※ 순환대기 예방은 프로세스의 속도를 떨어뜨리고 자원에 대한 접근을 불필요하게 거부하므로 비효율적임.

22. 2. 교착상태 해결 기법 • 교착상태 회피 기법 • 교착상태의 예방보다 덜 엄격한 조건을 요구함으로써 자원을 좀 더 효율적으로 이용하는 것을 목적으로 함. • 교착상태가 일어날 가능성을 인정하고(세 가지 필요조건 허용) 교착상태가 일어나려고 할 때 적절히 회피하며, 이는 예방보다 더 병행성을 허용함. • 회피 기법은 크게 두 가지 방법 제시됨. ① 프로세스의 시작 거부 - 프로세스의 요구가 교착상태를 일으킬 수 있다면 프로세스 시작을 중지함. ex: 현재 수행 중인 모든 프로세스의 최대 자원 요구량과 새로운 프로세스의 최대 요구량을 합한 자원 요구량을 수용할 수 있으면 새로운 프로세스를 수용. ② 자원 할당의 거부 - 프로세스가 요청한 자원을 할당했을 때, 교착상태가 발생할 수 있다면 요청한 자원을 할당하지 않음. - 일반적으로 은행가 알고리즘(Banker`’s Algorithm)이라 부름. • 교착상태 회피를 위해 자원이 언제 요구되는지에 대한 추가정보가 필요함. - 각 프로세스마다 요청과 해제에 대한 정확한 순서를 파악하고 있다면 요청에 따른 프로세스 대기 여부를 결정 가능함. • 요구를 받아들일 지 또는 기다리게 할지를 결정하기 위해 각 프로세스에 대한 요구와 해제를 미리 알고 있어야 함. - 필요한 정보의 양과 종류에 따라 다양한 교착상태 회피 알고리즘을 적용할 수 있음. - 프로세스가 요청할 자원마다 최대치 정보를 미리 파악할 수 있다면 시스템이 교착상태가 되지 않을 확실한 알고리즘을 만들 수 있음.

23. 2. 교착상태 해결 기법 • 안정상태와 불안정상태 • 교착상태 회피 알고리즘은 시스템이 순환-대기 조건이 발생하지 않도록 자원 할당 상태를 검사함. • 자원 할당 상태는 사용 가능한 자원의 수, 할당된 자원의 수, 프로세스들의 최대 요구 수에 의해 정의됨. • 안정한 상태 - 각 프로세스에 자원을 할당할 수 있고(최대치까지), 교착상태를 방지할 수 있음. - 프로세스의 순서 <P1, P2, …, Pn>이 안정 순서란 의미는 모든 Pi가 요청하는 자원이 현재 사용 가능한 자원과 j > i인 모든 Pj가 점유하고 있는 자원들로 충족될 수 있음을 나타냄. - 프로세스 Pi가 필요한 자원을 즉시 사용할 수 없다면, Pi는 모든 Pj가 끝날 때까지 기다렸다가 자원을 확보, 필요한 모든 자원 확보 시 지정된 작업을 끝내고 자원을 반납함. - Pi가 종료하면 Pi+1은 필요한 자원을 확보할 수 있으므로 처리를 계속 진행할 수 있음. • 불안정한 상태 - 안정한 상태처럼 프로세스의 자원 할당 및 해제의 순서가 명확히 존재하지 않는경우. ※ 교착상태는 불안정상태이나, 모든 불안정상태가 교착상태인 것은 아님. [그림5-14] 안정상태, 불안정상태와 교착상태의 공간

24. 2. 교착상태 해결 기법 • 시스템 상태 변화 • 동일한 자원 12개와 프로세스 P0, P1, P2를 가진 시스템의 경우를 예를 들어 시스템 상태 변환을 설명함. • 시스템의 안정 상태 • 프로세스 P0은 자원을 10개 요구, P1은 4개, P2는 9개 요구함. • t0시간에 프로세스 P0가 자원을 5개 점유, 프로세스 P1은 2개, 프로세스 P2는 2개를점유할 경우 사용 가능한 자원은 3개임. [표5-1] 안정상태의 자원 예(1)

25. 2. 교착상태 해결 기법 • 실행 과정 - t0시간에 시스템은 안정상태이며, <P1, P0, P2> 순서는 안정 조건을 만족함. - 프로세스 P1은 사용 가능한 자원을 2개 할당 받아 실행한 후 반납 가능하므로 시스템의 여분 자원은 5개임. - P0은 사용 가능한 자원 5개를 할당 받아 실행한 후 반납 가능함. - 프로세스 P2가 필요한 자원을 할당받고 실행한 후 반납 가능함. [표5-2] 안정상태의 자원 예(2) • 불안정상태 • 사용 가능한 자원 1개를 어느 프로세스에 할당해도 프로세스를 만족시킬 수 없음. • 프로세스 P0에 남은 장치를 할당하고 반납 전까지 다른 프로세스가 자원을 요구하지 않는 경우 교착상태를 피할 수 있음. [표5-3] 불안정상태의 자원 예(1)

26. 2. 교착상태 해결 기법 • 안정상태에서 불안정상태로의 변환 • [표 5-1]에서프로세스 P2가 자원을 1개 더 요구할 경우, 이를 허용 시 불안정상태로 변함. [표5-4] 불안정상태의 자원 예(2) • 실행 과정 • - 프로세스 P1은 사용 가능한 자원 2개를 할당 받아 실행한 후 장치를 반환. • - 프로세스 P0는 자원 5개를 할당 받았지만최대 10개가 필요하므로 5개를 더 요청하나, 최대 사용량만큼 자원을 할당할 수 없으므로 대기. • - 프로세스 P2는 추가로 자원을 6개 요청하므로, 시스템은 교착상태가 됨. • 해결 방법 • - 다른 프로세스들이 처리를 종료하고 자원을 반납할 때까지 프로세스 P2를 대기시키면 교착상태를 회피할 수 있음. • ※ 시스템이 항상 안정상태에 머무르도록 안정상태 개념에서 교착상태 회피 알고리즘을 정의 가능. • : 초기 시스템은 안정상태이므로, 프로세스가 현재 사용 가능한 자원을 요청 시 시스템은 자원 할당/대기 여부를 결정, 자원을 할당한 이후에도 시스템이 항상 안정상태일 경우에만 할당을 허용함.

27. 2. 교착상태 해결 기법 • 교착상태 회피 예 : 은행가 알고리즘 • 다익스트라의 은행가 알고리즘(Banker’s Algorithm)을 이용. • 각 프로세스가 요청하는 자원 종류의 최대수를 알아야 함. • 각 프로세스에 자원을 어떻게 할당(자원 할당 순서 조정)할 것인가의 정보가 필요하며, 이를 이용하여 교착상태 회피 알고리즘을 정의함. • 은행에서 모든 고객이 만족하도록 현금을 할당하는 과정과 동일함. • 구현 방법 • 구현을 위해 여러 가지 자료구조를 유지해야 하며, 이는 자원 할당 시스템의 상태를 나타냄. • n은 시스템의 프로세스 수, m을 자원 형태의 수라 가정할 때, 다음과 같은 자료구조가 필요함. - Available * 각 형태별로 사용 가능한 자원의 수를 표시하는 길이가 m인 벡터. - Max * 각 프로세스의 최대 자원의 요구를 표시하는 n ⅹ m 행렬. - Allocation * 현재 각 프로세스에 할당되어 있는 각 형태의 자원 수를 정의하는 n ⅹ m행렬. - Need * 각 프로세스에 남아 있는 자원 요구를 표시하는 n ⅹ m행렬.

28. 2. 교착상태 해결 기법 • 구현을 위한 제약 • 간단한 구현을 위해 다음과 같은 제약을 둠. ① 시간이 진행하면서 벡터의 크기와 값이 변한다. ② x와 Y의 길이가 n인 벡터이다. ③ X[i] ≤ Y[i]이고, i = 1, 2, …, n일 경우에만 X ≤ Y다. ④ X = (0, 3, 2, 1)이고 Y = (1, 7, 3, 2)이면 X ≤ Y다. ⑤ X ≤ Y이고 X ≠ Y이면 X < Y다. • 행렬 Allocation과 Need에 있는 각 행을 벡터로 취급하며 이들을 각각 Allocationi와 Needi로 참조함. - Allocationi는 프로세스 Pi에 현재 할당된 자원. - Needi는 프로세스 Pi가 자신의 작업을 종료하는데 필요한 추가 자원.

29. 2. 교착상태 해결 기법 • 은행가 알고리즘 • Requesti를 프로세스 Pi를 위한 요청 벡터라 가정함. • 만약 ‘Requesti[j] = k’라면, 프로세스 Pi는 자원 형태 Rj를 k개 요구함. • 프로세스 Pi가 자원을 요청 시 다음 동작이 일어남. * 1단계 :Requesti ≤ Needi면 2단계로 가고, 그렇지 않으면 프로세스가 최대 요구치를 초과하기 때문에오류 상태가 됨. * 2단계 : Requesti ≤ Available면 3단계로 가고, 그렇지 않으면 자원이 부족하기 대문에 Pi는 대기. * 3단계 : 시스템은 상태를 다음과 같이 수정하여 요청된 자원을 프로세스 Pi에 할당. - Available := Available – Requesti; - Allocationi := Allocationi + Requesti; - Needi := Needi – Requesti; • 자원 할당 상태가 안정이라면 처리가 이루어지고 프로세스 Pi는 자원을 할당 받음. • 불안정 상태이면 Pi는 Requesti를 대기하고 이전 자원 할당 상태로 복귀함.

30. 2. 교착상태 해결 기법 • 안전 알고리즘 • 시스템이 안정상태인지, 불안정상태인지를 검사하며, 다음과 같은 과정으로 수행됨. * 1단계 : Work와 Finish를 각각 길이가 m과 n인 벡터라 가정할 때, 다음과 같이 초기화함. - Work := Available, Finish [i] := false, i=1, 2, …, n * 2단계 : 다음과 같은 조건을 만족하는 i값을 찾으며, i값이 없으면 4단계로 이동. - Finish[i] = false - Needi ≤ Work * 3단계 : 다음을 수행하고 2단계로 이동. - Work := Work + Allocation - Finish[i] := ture * 4단계 : 모든 i에 대하여 Finish[i] = true이면 시스템은 안정상태임. • 안전 알고리즘의 예. - P0부터 P4까지 5개의 프로세스와 자원 형태 3개(A, B, C)를 가진 시스템에서, 자원 형태 A는 10개, 자원 형태 B는 5개, 자원 형태 C는 7개가 있다고 가정함. - 시간 t0에 시스템의 상태는 다음 [표 5-5]와 같다 가정함. [표5-5] 시간 t0일 경우 시스템의 상태

31. 2. 교착상태 해결 기법 • 진행 과정. - 시스템은 현재 안정상태이며, <P1, P3, P4, P2, P0> 순서는 안정 조건에 해당함. - 현재 Available자원은 (3, 3, 2)이며, 프로세스 P1에 할당 가능. - Needi ≤ Available조건의 참, 거짓 여부는 (1, 1, 2) ≤ (3, 3, 2)이므로 참. - 프로세스 P1실행 후 할당된 자원 해제 시 Available자원은 (5, 3, 2). - P3요구는 (0, 1, 1)이므로 할당이 가능하며, 동일한 과정으로 P4, P2, P0의 안정상태 조건은 만족됨. • 프로세스 P1은 자원 형태 A의 자원 1개와 C의 자원 2개를 더 요청하여 Request1 = (1, 0, 2)라 가정함. - 요청의 허용 여부를 결정하기 위해 Request1 ≤ Available 여부((1, 0, 2) ≤ (3, 3, 2))를 확인해야 함. - 요청이 충족되어 새로운 상태에 도달했다 가정할 경우, - 새로운 시스템 상태가 안정한지 판별하기 위해 안전 알고리즘 실행, <P1, P3, P4, P2, P0> 순서가 안전요구 충족함을 확인함. - 프로세스 P1의 요청을 허락. - 프로세스 P4가 (3, 3, 0) 요청시 자원이 부족하므로 허용할 수 없음. - P0이 (0, 2, 0)을 요청하면 Available자원이 충분하여 할당하더라도 P0은 실행되지 않고 대기상태가 되어, 결과가 불안정상태이므로 자원 요청을 허용할 수 없음. [표5-6] 시간 t0일 경우 시스템의 새로운 상태

32. 2. 교착상태 해결 기법 • 은행가 알고리즘의 단점 • 교착상태를 회피하기 위해 교착상태가 일어나지 않을 때만 작업을 진행. • 다음과 같은 단점이 있어 항상 실용적이지 못함. - 할당할 수 있는 자원의 일정량을 요구함. * 자원은 수시로 유지보수가 필요하며 고장이나 예방보수를 함으로써 일정하게 남아있는 자원 수의 파악이 어려움. - 사용자 수가 일정해야 함. * 현재의 다중 프로그래밍 시스템에서는 사용자의 수가 항상 변함. - 교착상태 회피 알고리즘을 실행하면 시스템 과부하가 증가함. - 프로세스는 자원을 보유한 상태로 끝낼 수 없음. * 시스템에서는 이보다 더 강력한 보장이 필요함. - 사용자가 최대 필요량을 미리 알려주도록 요구하지만 자원 할당 방법이 점점 동적으로 변함에 따라 사용자의 최대 필요량을 파악하기 어려워 짐. * 최근의 시스템은 편리한 인터페이스 제공으로 사용자가 필요로 하는 자원을 알 필요가 없음. - 항상 불안정상태를 방지해야 하므로 자원 이용도가 낮음.

33. 3. 교착상태 탐지 • 교착상태 탐지 알고리즘 • 쇼사니(Shoshani)와 포크만(Coffman)이 제안. • 다음과 같은 자료구조들을 사용함. • Available : 자원 형태마다 사용 가능한 자원 수를 표시하는 길이가 m인 벡터. • Allocation : 각 프로세스에 현재 할당된 각 형태들의 자원 수를 표시하는 n ⅹ m행렬. • Request : 각 프로세스의 현재 요청을 표시하는 n ⅹ m행렬. • Request[i, j] : 프로세스 Pi가 필요한 자원 수가 k개라면 프로세스 Pi는 자원 형태 Rj의 자원을 k개 더 요청함. • 남아있는 프로세스들에 대한 할당 가능 순서를 모두 찾음. • 1단계 : Work과 Finish는 각각 길이가 m과 n인 벡터로, ‘Work := Available’로 초기화 함. - (i = 1, 2, …, n)일 때 ‘Allocationi ≠ 0’이면 ‘Finish[i] := false’이고, 아니면 ‘Finish[i] := true’. • 2단계 : 다음과 같은 조건을 만족하는 색인 i를 찾으며, 조건에 맞는 i가 없으면 4단계로 이동. - Finish[i] = false, Requesti ≤ Work • 3단계 : 다음이 일치하는지 여부를 판단하여 2단계로 이동. - Work := Work + Allocationi - Finish[i] := true • 4단계 : Finish[i] = false라면, 1 ≤ i ≤ n인 범위에서 시스템과 프로세스 Pi는 교착상태임.

34. 3. 교착상태 탐지 • 교착상태 탐지 알고리즘 예 • P0에서 P4까지의 프로세스 5개와 자원 형태 3개, A, B, C를 가진 시스템이 있다 가정함. • 자원 형태 A는 자원을 7개, 자원 형태 B는 2개, C는 6개를 가지고 있음. • t0시간에 다음과 같은 자원 할당 상태가 된다 가정함. [표5-7] 시간 t0일 경우 시스템의 새로운 상태 • 현재 시스템은 교착상태가 아니며, <P0, P2, P3, P1, P4>는 모든 i에 대하여 ‘Finish[i] = ture’임.

35. 3. 교착상태 탐지 [표5-8] 시간 t0일 경우 시스템의 새로운 상태 • 프로세스 P2가 자원 형태 C의자원을 1개 더 요청한다 가정함. • Request행렬은 다음과 같이 수정됨. • 현재 시스템은 교착상태임. • 프로세스 P0이 점유하고 있는 자원을 요청하더라도 가용한 자원 수는다른 프로세스들의 요청을 충족시킬 만큼 충분하지 않음. • 따라서 프로세스 <P1, P2, P3, P4>로 구성된 교착상태가 존재함. • 교착상태 탐지 알고리즘 사용 횟수 • 탐지 알고리즘 호출 문제는 교착상태 발생 빈도수와 교착상태 발생 시 영향을 받는 프로세스의 수에 따라 결정. • 교착상태가 자주 발생하면 탐지 알고리즘도 자주 호출됨. • 요청을 할 때마다 교착상태 탐지 알고리즘 호출 시 연산 시간 부담이 큼. • 경제적인 방법은 호출 빈도를 줄이는 것으로, 한 시간마다 또는 CPU이용률이 40%로 저하될 때마다 호출.

36. 4. 교착상태 회복 기법 • 교착상태 회복 기법 • 교착상태에서 회복한다는 것은 순환대기에서 탈피한다는 것을 의미함. • 이를 위해 프로세스를 한 개 이상 중지시키는 방법과 교착상태의 프로세스들로부터 자원을 선점하는 방법이 있음. • 프로세스 중지 • 두 가지 방법이 있으며, 모두 시스템이 정지된 프로세스에 할당된 모든 자원의 해제를 요구함. • 교착상태 프로세스를 모두 중지. - 교착상태의 순환대기를 확실히 해결하지만 자원 사용과 시간 면에서 비용이 많이 듬. - 오랫동안 연산했을 가능성이 있는 프로세스의 부분 결과를 폐기하여 나중에 다시 연산해야 함. • 한 프로세스씩 중지. - 한 프로세스가 중지될 때마다 교착상태 탐지 알고리즘을 호출하여 프로세스가 교착상태에 있는지 확인. - 교착상태 탐지 알고리즘 호출에 대한 부담이 큼.

37. 4. 교착상태 회복 기법 • 부분 종료 방식을 사용하여 교착상태 회복 • 어느 프로세스를 중지시킬 지 결정해야 하며, 이는 프로세서 스케줄링과 유사한 정책 결정 문제임. • 경제적인 문제로, 프로세스들을 중지시키는 데 최소비용으로 중지시키는 방법을 찾아야 함. • 일반적으로 다음과 같은 기준으로 프로세스를 선정함. - 프로세스들의 우선순위 - 프로세스가 수행된 시간과 앞으로 종료하는 데 필요한 시간 - 프로세스가 사용한 자원 형태와 수(ex: 자원을 선점할 수 있는지의 여부) - 프로세스 종료를 위해 필요한 자원 수 - 프로세스를 종료하는 데 필요한 프로세스의 수 - 프로세스가 대화식인지 일괄식인지 여부

38. 4. 교착상태 회복 기법 • 자원 선점 • 프로세스의 자원을 선점하여 교착상태가 해결될 때까지 선점한 자원을 다른 프로세스에 할당하여 이용. • 다음 세 가지 사항을 해결해야 함. • 선점 자원 선택. - 프로세스를 종료할 때, 비용을 최소화하기 위해 적절한 선점 순서를 결정해야 함. - 비용 요인은 교착상태 프로세스가 점유하고 있는 자원 수, 교착상태 프로세스가 지금까지 실행하는 데 소용한 시간과 같은 매개변수가 포함됨. • 복귀. - 필요한 자원을 읽은 프로세스는 정상적으로 실행할 수 없으므로, 프로세스를 안정상태로 복귀시키고 다시 시작해야 함. - 단순한 방법은 완전히 복귀시키고(프로세스를 중지) 재시작하는 것이며, 프로세스를 교착상태에서 벗어날 정도로만 복귀시킬 수 있다면 더 효과적임. - 시스템이 실행하는 모든 프로세스의 상태 정보를 유지해야 하는 부담이 존재함. • 기아. - 동일한 프로세스가 자원들을 항상 선점하지 않도록 보장할 때, 비용에 근거한 시스템은 동일한 프로세스가 희생자로 선택되기 쉬움. - 이는 프로세스가 자신의 작업을 완료하지 못하는 기아상태가 되어 시스템 조치를 요구함. - 프로세스가 짧은 시간 동안만 희생자로 지정됨을 보장해야 함. - 일반적인 해결 방법은 비용 요소에 복귀 횟수를 포함시키는 것.

39. 5. 기아상태 • 기아상태(Starvation) • 프로세스가 자신의 작업을 완료하지 못하는 상태. • 교착상태를 예방하기 위해 자원을 할당할 때 발생(기다림)되는 결과. • 다익스트라가 제안한 ‘식사하는 철학자 문제’ • 문제의 실질적인 중요성 때문이 아닌 대부분의 병행 문제인 교착상태와 기아상태의 예기 때문에 고전적인 동기 문제로 취급됨. • 문제 설명. - 철학자 5명은 대부분의 시간을 생각하고 먹는데 소비하며, 철학자들은 의자 5개로 둘러 쌓인 원형 테이블을 공유함. - 테이블 중앙에 음식이 있으며 포크가 5개 놓여있음. - 지역 풍습에 따라 철학자들은 포크 2개로 식사하며, 5명의 철학자가 동시에 식사할 수 없고, 2명만 동시에 식사 가능. - 철학자가 생각 중일 때는 다른 철학자가 간섭하지 않음. - 배고픈 철학자가 식사를 위해 왼쪽과 오른쪽의 포크 2개를 든 다 가정할 때, - 철학자는 한 번에 포크 하나만 들 수 있으며, 왼쪽 포크를 먼저 집은 후 오른쪽 포크를 집음. - 이웃 철학자가 이미 들고 있는 포크는 집을 수 없음. - 배고픈 철학자는 두 포크를 동시에 갖게 되면 식사를 시작함. - 식사를 마치면 포크 2개를 내려놓고 계속 생각함. - 모든 철학자가 동시에 식사를 한다면 교착상태에 빠짐. [그림5-15] 철학자들의 식사

40. 5. 기아상태 • 포크를 세마포어로 표시하여 교착상태 해결. • 철학자는 포크에 해당하는 세마포어에 대한 P연산을 수행하고 나서 포크를 집음. • 포크는 해당 세마포어에 대한 V연산을 수해함으로써 내려 놓음. • 공유 데이터는 다음과 같음. - chopstick의 모든 요소는 1로 초기화되며, 철학자 i의 구조는 다음과 같이 서술 가능함. var chopstick : array [0…4] of semaphore (:=1); 알고리즘 5-1 철학자 i의 구조 01 repeat 02 P(chopstick[i]); 03 P(chopstick[i+1 mod 5]; 04 ... 05 식사한다. 06 ... 07 V(chopstick[i]); 08 V(chopstick[i+1 mod 5]); 09 ... 10 생각한다. 11 ... 12 until false; • ※ 이 해결 방법은 두 이웃 철학자가 동시에 식사할 수 없으나, 교착상태가 발생함.

41. 5. 기아상태 • 교착 상태 발생 해결 방안 • 철학자 4명만 테이블에 동시에 앉도록 함. • 철학자가 양쪽 포크 모드를 사용 가능할 때 포크를 집을 수 있도록 허용(임계영역 내에서)함. • 비대칭 해결법을 사용하여, 홀수 번째 철학자는 왼쪽 포크를 집은 후에 오른쪽 포크를, 짝수 번째 철학자는 오른쪽 포크 다음에 왼쪽 포크를 집도록 함. 알고리즘 5-2 식사하는 철학자 문제의 해결방안 01 var chopstick : array[0...4] of semaphore (:=1); 02 room : semaphore (:=4) 03 repeat 04 P(room); 05 P(chopstick[i]); 06 P(chopstick[i+1 mod 5]; 07 ... 08 식사한다. 09 ... 10 V(room); 11 V(chopstick[i]); 12 V(chopstick[i+1 mod 5]); 13 ... 14 생각한다. 15 ... 16 until false;

42. 5. 기아상태 • ‘식사하는 철학자 문제’는 철학자 중 한명이라도 굶어 죽는 일이 없어야 함. • 교착상태에 대한 해결책은 기아상태의 가능성을 제거할 수 없음. • 해결을 위해 먼저 기다리는 작업을 발견하고 각 작업이 기다린 시간을 조사, 추적해야 함. • 시스템은 기아상태를 발견하면 즉시 새로운 작업의 시작을 보류하도록 조치해야 함. • 빈번한 시스템 보류로 처리량이 감소할 수 있으므로 신중한 접근이 요구됨.