[Operating System Concepts 10th] 8. Deadlocks 리뷰

2022-08-28 9 분 소요

본 글은 Operating System Concepts 10th (운영체제) 책을 보며 내용을 개인 공부에 목적으로 정리했습니다.
이전에 운영체제 관련 강의들을 들으면서 정리한 시리즈 글들이 있는데,
지식을 습득하는 데 있어 가장 느리지만 가장 빠른 방법이 원본책을 자세히 보는 것이라 생각됩니다.
책 내용들을 최대한 이해하기 위해 거의 모든 내용을 담고 있습니다.

책 pdf 링크 : Operating System Concepts 10th Edition by Abraham Silberschatz Peter B Galvin Greg Gagne pdf free download
연습 문제 정답지 : Solutions of Practice Exercises, Tenth Edition of Operating System Concepts, AVI SILBERSCHATZ

8. Deadlocks

멀티 프로그래밍 환경에서는 여러 스레드가 한정된 자원을 사용하려고 서로 경쟁할 수 있다.
한 스레드가 자원을 요청했을 때, 그 시각에 그 자원을 사용할 수 없는 상황이 발생할 수 있고, 그때는 스레드가 대기 상태로 들어간다.
이처럼 대기 중인 스레드들이 결코 다시는 그 상태를 변경시킬 수 없으면 이런 상황을 교착 상태(deadlock)이라 한다.

목표
- Mutex 락을 사용할 때 어떻게 교착 상태가 발생할 수 있는지 보여준다.
- 교착 상태를 특징 짓는 4가지 필수 조건을 정의한다.
- 자원 할당 그래프에서 교착 상태 상황을 식별한다.
- 교착 상태 예방을 위한 4가지 방법을 평가한다.
- 교착 상태 회피를 위해 은행의 알고리즘을 적용한다.
- 교착 상태 감지 알고리즘을 적용한다.
- 교착 상태에서 복구하기 위한 접근법을 평가한다.

8.1 System Model

시스템(system)은 경쟁하는 스레드들 사이에 분배되어야 할 유한한 수의 자원들로 구성된다.
이들 자원은 다수의 유형으로 분할되며, 이들 각각은 동등한 다수의 인스턴스들로 구성된다.
만일 한 스레드가 어떤 자원 유형의 한 인스턴스를 요청하면, 동일 유형 자원의 임의의 인스턴스를 할당함으로써 요청이 충족된다.

스레드는 자원을 사용하기 전에 반드시 요청해야 하고, 사용 후에는 반드시 방출해야 한다.
스레드는 지정된 태스크(task)를 수행하기 위해 필요한 만큼의 자원을 요청할 수 있다.
정상적인 작동 모드하에서, 프로세스는 다음 순서로만 자원을 사용할 수 있다.
1. 요청(Request) : 스레드는 자원을 요청한다. 요청이 즉시 허용되지 않으면(예를 들어 mutex 락을 다른 스레드가 가지고 있는 경우), 요청 스레드는 자원을 얻을 때까지 대기해야 한다.
2. 사용(Use) : 스레드는 자원에 대해 작업을 수행할 수 있다.(예를 들어, 자원이 mutex 락이라면, 스레드는 임계구역에 접근할 수 있다.)
3. 방출(Release) : 스레드가 자원을 방출한다.

스레드가 커널이 관리하는 자원을 사용할 때마다 매번 운영체제는 스레드가 자원을 요청했는지와 그 자원을 할당받았는지를 확인한다.
시스템 테이블이 각 자원이 가용 상태인지 또는 할당되었는지 기록하며, 각 할당된 자원에 대해서는 어느 스레드에 할당되었는지도 기록한다.
어떤 스레드가 현재 다른 스레드에 할당된 자원을 요청하면, 그 자원을 기다리는 스레드 큐에 입력될 수 있다.

한 스레드 집합 내의 모든 스레드가 그 집합 내의 다른 스레드에 의해서만 발생될 수 있는 이벤트를 기다린다면, 그 스레드 집합은 교착 상태에 있다.

8.2 Deadlock in Multithreaded Applications

먼저 POSIX mutex 락을 사용하여 멀티 스레드 Pthread 프로그램에서 어떻게 교착 상태가 발생할 수 있는지 살펴본다.
- pthread_mutex_init() : 가용한 mutex를 초기화한다.
- Mutex 락은 각각 pthread_mutex_lock()과 pthread_mutex_unlock() 함수를 이용하여 획득되고 방출한다.
- 한 스레드가 잠긴 mutex 락을 획득하려고 시도하면, pthread_mutex_lock() 함수 호출은 mutex 락의 소유주가 pthread_mutex_unlock() 함수를 호출할 때까지 이 스레드를 블록한다.

pthread_mutex_t first_mutex; // 생성
pthread_mutex_t second_mutex; // 생성

pthread_mutex_init(&first_mutex,NULL); // 초기화
pthread_mutex_init(&second_mutex,NULL); // 초기화

/* thread_one은 이 함수를 실행한다. */
void *do_work_one(void *param)
{
    pthread_mutex_lock(&first_mutex);
    pthread_mutex_lock(&second_mutex);
    /* 
        Do some work
     */
    pthread_mutex_unlock(&second_mutex);
    pthread_mutex_unlock(&first_mutex);

    pthread_exit(0);
}

/* thread_two는 이 함수를 실행한다. */
void *do_work_two(void *param)
{
    
    pthread_mutex_lock(&second_mutex);
    pthread_mutex_lock(&first_mutex);
    /* 
        Do some work
     */
    pthread_mutex_unlock(&first_mutex);
    pthread_mutex_unlock(&second_mutex);

    pthread_exit(0);
}

thread_one이 first_mutex를 획득하고 thread_two가 second_mutex를 획득하게 되면 교착 상태가 가능하다.
하지만, 교착 상태가 가능하더라도 thread_two가 락을 획득하려고 시도하기 전에 thread_one이 first_mutex와 second_mutex를 획득하고 방출할 수 있다면 교착 상태는 발생하지 않는다.

8.2.1 Livelock

라이브락(livelock)은 또 다른 형태의 라이브니스 장애이다.
교착 상태가 어떤 스레드 집합의 모든 스레드가 같은 집합에 속한 다른 스레드에 의해서만 발생할 수 있는 이벤트를 기다리면서 블록되면 발생하는 반면에, 라이브락은 스레드가 실패한 행동을 계속해서 시도할 때 발생한다.
라이브락은 Pthreads pthread_mutex_trylock() 함수로 설명할 수 있다.
- 이 함수는 블록되지 않고 mutex 락을 획득하려고 시도한다.

/* thread_one은 이 함수를 실행한다. */
void *do_work_one(void *param)
{
    int done = 0;

    while (!done) {
        pthread_mutex_lock(&first_mutex);
        if (pthread_mutex_trylock(&second_mutex)) {
            /* 
            Do some work
            */
            pthread_mutex_unlock(&second_mutex);
            pthread_mutex_unlock(&first_mutex);
            done = 1;
        }
        else
            pthread_mutex_unlock(&first_mutex);
    }

    pthread_exit(0);
}

/* thread_two는 이 함수를 실행한다. */
void *do_work_two(void *param)
{
    int done = 0;

    while (!done) {
        pthread_mutex_lock(&second_mutex);
        if (pthread_mutex_trylock(&first_mutex)) {
            /* 
            Do some work
            */
            pthread_mutex_unlock(&first_mutex);
            pthread_mutex_unlock(&second_mutex);
            done = 1;
        }
        else
            pthread_mutex_unlock(&second_mutex);
    }

    pthread_exit(0);
}

라이브락은 일반적으로 스레드가 실패한 작업을 동시에 재시도할 때 발생한다.
따라서 일반적으로 각 스레드가 실패한 행동을 재시도하는 시간을 무작위로 정하면 회피할 수 있다.
라이브락은 교착 상태만큼 흔히 일어나지는 않지만 동시 애플리케이션을 설계하는 데 있어 어려운 문제이며 교착 상태와 같이 특정 스케줄링 상황에서만 발생할 수 있다.

8.3 Deadlock Characterization

8.3.1 Necessary Conditions

교착 상태는 학 시스템에 다음 4가지 조건이 동시에 성립될 때 발생할 수 있다.

상호 배제(mutual exclusion) : 최소한 하나의 자원이 비공유 모드로 점유되어야 한다.
- 비공유 모드에서는 한 번에 한 스레드만이 그 자원을 사용할 수 있다.
- 다른 스레드가 그 자원을 요청하면, 요청 스레드는 자원이 방출될 때까지 반드시 지연되어야 한다.
점유하며 대기(hold-and-wait) : 스레드는 최소한 하나의 자원을 점유한 채, 현재 다른 스레드에 의해 점유된 자원을 추가로 얻기 위해 반드시 대기해야 한다.
비선점(no preemption) : 자원들을 선점할 수 없어야 한다. 즉, 자원이 강제적으로 방출될 수 없고, 점유하고 있는 스레드가 태스크를 종료한 후 그 스레드에 의해 자발적으로만 방출될 수 있다.
순환 대기(circular wait) : 대기하고 있는 스레드의 집합 ${T_0, T_1,…,T_n}$에서 $T_0$는 $T_1$이 점유한 자원을 대기하고, $T_1$은 $T_2$가 점유한 자원을 대기하고,…, $T_n$은 $T_0$가 점유한 자원을 대기한다.

8.3.2 Resource-Allocation Graph

교착 상태는 시스템 자원 할당 그래프(system resource-allocation graph)라고 하는 방향(directed) 그래프로 더욱 정확하게 기술할 수 있다.
이 그래프는 정점(vertex) V의 집합과 간선(edge) E의 집합으로 구성된다.
- 정점 V의 집합은 시스템 내의 모든 활성 스레드의 집합인 $T={T_1, T_2, …, T_n}$과 시스템 내의 모든 자원 유형의 집합인 $R={R_1,R_2,…,R_m}$의 2가지 유형으로 구분된다.

스레드 $T_i$로부터 자원 유형 $R_j$로의 방향 간선(directed edge)은 $T_i \to R_j$로 표현한다.
- 이것은 스레드 $T_i$가 자원 유형 $R_j$의 인스턴스를 하나 요청하는 것으로 현재 이 자원을 기다리는 상태이다.
- $T_i \to R_j$를 요청 간선(request edge)이라 부른다.
스레드 $R_j$로부터 자원 유형 $T_i$로의 방향 간선(directed edge)은 $R_j \to T_i$로 표현한다.
- 이것은 자원 유형 $R_j$의 한 인스턴스가 스레드 $T_i$에 할당된 것을 의미한다.
- $R_j \to T_i$를 할당 간선(assignment edge)이라 부른다.
도식적으로, 각 스레드 $T_i$를 원으로 표현하고, 각 자우너 유형 $R_j$는 사각형으로 표현한다.
그리고 자원 유형 $R_j$가 한 개 이상의 인스턴스를 가질 때는 각 인스턴스를 사각형 내의 하나의 점으로 표현한다.

위 Figure 8.4의 자원 할당 그래프는 다음 상황을 묘사한다.
집합 $T$, $R$, $E$
- $T={T_1,T_2,T_3}$
- $R={R_1,R_2,R_3,R_4}$
- $E=T_1\ \to \ R_1,\ T_2\ \to \ R_3, $ $\ R_1\ \to \ T_2,\ R_2\ \to \ T_2,$ $\ R_2\ \to \ T_1,\ R_3\ \to \ T_3$
스레드 상태
- 스레드 $T_1$은 자원 유형 $R_2$의 인스턴스 1개를 점유하고, 자원 유형 $R_1$의 인스턴스 1개를 기다리며 대기한다.
- 스레드 $T_2$는 $R_1$과 $R_2$의 인스턴스를 각각 1개씩 점유하고, 자원 유형 $R_3$의 인스턴스 1개를 기다린다.
- 스레드 $T_3$는 $R_3$의 인스턴스 1개를 점유하고 있다.

위 Figure 8.5에서는 스레드 $T_1$, $T_2$, $T_3$는 교착 상태이다.
- 스레드 $T_2$는 스레드 $T_3$이 점유하고 있는 자원 $R_3$을 기다린다.
- 스레드 $T_3$는 반면에 스레드 $T_1$이나 $T_2$가 자원 $R_2$를 방출하기를 기다린다.
- 스레드 $T_1$은 $T_2$가 자원 $R_1$을 방출하기를 기다린다.

정리하면, 자원 할당 그래프에 사이클이 없다면, 시스템은 교착 상태가 아니다. 반면에, 사이클이 있다면 시스템은 교착 상태일 수도 있고 아닐 수도 있다.

8.4 Methods for Handling Deadlocks

교착 상태 문제를 처리하는 데는 다음과 같은 3가지 방법이 있다.

문제를 무시하고, 교착 상태가 시스템에서 절대 발생하지 않는 척한다.
- Linux와 Windows를 포함해 대부분의 운영체제가 사용하는 방법이다.
- 교착 상태를 처리하는 프로그램을 작성하는 것은 응용 개발자의 몫이다.
시스템이 결코 교착 상태가 되지 않도록 보장하기 위하여 교착 상태를 예방하거나 회피하는 프로토콜을 사용한다.
시스템이 교착 상태가 되도록 허용한 다음에 복구시키는 방법이 있다.
- 데이터베이스와 같은 일부 시스템이 이 해결안을 채택하여 교착 상태의 발생을 허용하고 복구 작업을 수행한다.

교착 상태가 발생하지 않도록 하기 위해 시스템은 교착 상태 예방(prevention), 또는 회피(avoidance) 기법의 하나를 사용할 수 있다.
- 교착 상태 예방(prevention) : 8.3.1절에서 언급한 필요조건 중 적어도 하나가 성립하지 않도록 보장하는 일련의 방법이다.
  - 이들 방법은 자원이 어떻게 요청될 수 있는지를 제한함으로써 교착 상태를 예방한다.
- 교착 상태 회피(avoidance) : 스레드가 평생 요구하고 사용할 자원에 대한 부가적인 정보를 미리 제공할 것을 요구한다.
  - 이러한 추가적인 지식을 가지고, 운영체제는 각 요청을 위해 그 스레드가 기다려야 할지 않을지를 결정할 수 있다.

8.5 Deadlock Prevention

교착 상태가 발생하려면 4가지의 필요조건이 각각 성립해야 한다.
이들 조건 중에서 최소한 하나가 성립되지 않도록 보장함으로써, 교착 상태의 발생을 예방할 수 있다.

8.5.1 Mutual Exclusion

적어도 하나의 자원은 공유가 불가능한 자원이어야 하는 상호 배제 조건이 성립되어야 한다.
반면에, 공유 가능한 자원들은 배타적인 접근을 요구하지 않으며, 따라서 교착 상태에 관련될 수 없다.
일반적으로 상호 배제 조건을 거부함으로써 교착 상태를 예방하는 것은 불가능하다.

8.5.2 Hold and Wait

시스템에서 점유하며 대기 조건이 발생하지 않도록 하려면 스레드가 자원을 요청할 때마다 다른 자원을 보유하지 않도록 보장해야 한다.
우리가 사용할 수 있는 하나의 프로토콜은 각 스레드가 실행을 시작하기 전에 모든 자원을 요청하고 할당해야 한다.
한 대안 프로토콜은 스레드가 자원을 전혀 갖고 있지 않을 때만 자원을 요청할 수 있도록 허용한다.
- 스레드는 일부 자원을 요청하고 사용할 수도 있다.
- 스레드가 추가의 자원을 요청할 수 있으려면, 자신에게 할당된 모든 자원을 반드시 먼저 방출해야 한다.

8.5.3 No Preemption

이미 할당된 자원이 선점되지 않아야 한다는 조건을 성립되지 않을 것을 보장하기 위해, 우리는 다음의 프로토콜을 사용할 수 있다.
만일 어떤 자원을 점유하고 있는 스레드가 즉시 할당할 수 없는 다른 자원을 요청하면, 현재 점유하고 있는 모든 자원이 선점된다.
- 스레드는 자신이 요청하고 있는 새로운 자원은 물론 이미 점유하였던 옛 자원들을 다시 획득할 수 있을 때만 다시 시작된다.
대안으로, 한 스레드가 어떤 자원들을 요청하면, 우리는 이들이 사용 가능한지를 검사한다.
- 만약 사용 가능하다면, 이들을 할당한다.
- 만약 사용 불가능하다면, 그 자원들이 추가의 자원을 위해 대기하고 있는 어떤 다른 스레드에 할당되어 있는지를 검사한다.

이 프로토콜은 CPU 레지스터나 데이터베이스 트랜잭션처럼 그 상태가 쉽게 저장되고 후에 복원될 수 있는 자원에 종종 적용된다.
이것은 일반적으로 mutex 락과 세마포 같은 자원에는 적용될 수 있다.

8.5.4 Circular Wait

교착 상태 예방을 위해 지금까지 제시된 3가지 옵션은 대부분 상황에서 일반적으로 실용적이지 않다.
그러나 순환 대기 조건은 필요한 조건 중 하나를 무효화하여 실용적인 해결책을 제공할 수 있는 기회를 제공한다.
순환 대기 조건이 성립되지 않도록 하는 한 가지 방법은 모든 자원 유형에 전체적인 순서를 부여하여, 각 프로세스가 열거된 순서대로 오름차순으로 자원을 요청하도록 요구하는 것이다.

8.6 Deadlock Avoidance

교착 상태를 회피하는 다른 대안은 자원이 어떻게 요청될지에 대한 추가 정보를 제공하도록 요구하는 것이다.
각 스레드의 요청과 방출에 대한 완전한 순서를 파악하고 있다면, 우리는 각 요청에 대해서 가능한 미래의 교착 상태를 피하고자 스레드가 대기해야 하는지 여부를 결정할 수 있다.
- 각 요청에 대해 위와 같은 결정을 하려면 시스템은 현재 요청이 충족될 수 있는지 또는 반드시 대기해야 할 것인지를 결정하기 위해, 현재 가용 자원, 현재 각 스레드에 할당된 자원, 그리고 각 스레드가 앞으로 요청하거나 방출할 자원을 고려해야 한다.

가장 단순하고 제일 유용한 모델은 각 스레드가 자신이 필요로 하는 각 유형의 자원마다 최대 수를 선언하도록 요구하는 것이다.
- 각 스레드가 요청할 각 유형의 자원의 최대 수 정보를 미리 파악할 수 있다면, 우리는 시스템이 교착 상태에 들어가지 않을 것을 보장하는 알고리즘을 만들 수 있다.
교착 상태 회피 알고리즘은 시스템에 순환 대기 상황이 발생하지 않도록 자원 할당 상태를 검사한다.
- 자원 할당 상태는 가용 자원의 수, 할당된 자원의 수 그리고 스레드들의 최대 요구 수에 의해 정의된다.

8.6.1 Safe State

시스템 상태가 안전(safe)하다는 말은 시스템이 어떤 순서로든 스레드들이 요청하는 모든 자원을 교착 상태를 야기시키지 않고 차례로 모두 할당해 줄 수 있다는 것을 뜻한다.
즉, 시스템이 안전 순서(safe sequence)를 찾을 수 있다면 시스템은 안전하다고 말한다.
- 모든 스레드를 무사히 마칠 수 있는 시퀀스를 찾을 수 없으면 불안전(unsafe)하다고 한다.
기본 원칙은 시스템의 상태가 항상 안전 상태를 떠나지 않도록 고수하는 것이다.

8.6.2 Resource-Allocation Graph Algorithm

만약 각 자원 유형마다 단지 하나의 인스턴스를 갖는 자원 할당 시스템을 갖고 있다면, 우리는 교착 상태 회피를 위한 자원 할당 그래프의 변형을 사용할 수 있다.
요청 간선과 할당 간선에 추가하여, 예약 간선(claim edge)을 도입한다.
- 예약 간선 $T_i\to R_j$는 $P_i$가 미래에 자원 $R_j$를 요청할 것이라는 의미다.
- 간선의 방향은 점선(dashed line)으로 표시한다.

8.6.3 Banker’s Algorithm

은행원 알고리즘 시스템에서는 스레드가 시작할 때 스레드가 가지고 있어야 할 자원의 최대 개수를 자원 종류마다 미리 신고하여야 한다.
- 물론 이 숫자가 자원의 총 보유 수를 넘어서면 안 된다.
스레드가 자원들을 요청하면 시스템은 그것을 들어주었을 때 시스템이 계속 안전 상태에 머무르게 되는지 여부를 판단해야 한다.
- 계속 안전하게 된다면 그 요청을 들어준다.
- 그렇지 않다면 이 스레드의 요청은 허락이 안 된 채 다른 스레드가 끝날 때까지 기다리게 된다.

은행원 알고리즘에서 운영체제는 안전상태를 유지할 수 있는 요구만을 수락하고 불안전 상태를 초래할 사용자의 요구는 나중에 만족될 수 있을 때까지 계속 거절한다. ¹

다음은 은행원 알고리즘을 구현하는 데 필요한 자료구조이다.
- 이 자료구조들은 시스템이 자원을 할당하고 있는 상태를 나타내게 된다.
- n : 스레드의 수
- m : 자원의 종류 수
Available : 각 종류별로 가용한 자원의 개수를 나타내는 벡터
- $Available[j]=k$ : 현재 $R_j$를 k개 사용할 수 있다.
Max : 각 스레드가 최대로 필요로 하는 자원의 개수를 나타내는 행렬
- $Max[i][j]=k$ : 스레드 $T_i$가 $R_j$를 최대 k개까지 요청할 수 있다.
Allocation : 각 스레드에 현재 할당된 자원의 개수를 나타내는 행렬
- $Allocation[i][j]=k$ : 현재 스레드 $T_i$가 $R_j$를 k개 사용 중이다.
Need : 각 스레드가 향후 요청할 수 있는 자원의 개수를 나타내는 행렬
- $Need[i][j]=k$ : 스레드 $T_i$가 향후 $R_j$를 k개까지 더 요청할 수 있다.
- $Need[i][j]=Max[i][j] - Allocation[i][j]$

8.7 Deadlock Detection

만일 시스템이 교착 상태 예방이나 교착 상태 방지 알고리즘을 사용하지 않는다면, 교착 상태가 발생할 수 있다.
이러한 환경에서는 시스템은 다음 알고리즘들을 반드시 지원해야 한다.

교착 상태가 발생했는지 결정하기 위해 시스템의 상태를 검사하는 알고리즘
교착 상태로부터 회복하는 알고리즘

8.7.1 Single Instance of Each Resource Type

모든 자원이 한 개의 인스턴스만 있다면, 대기 그래프(wait-for graph)라고 하는, 자원 할당 그래프의 변형을 사용해 교착 상태 탐지 알고리즘을 정의할 수 있다.
자원 할당 그래프로부터 자원 유형의 노드를 제거하고 적절한 간선들을 결합함으로써 대기 그래프를 얻을 수 있다.

대기 그래프에서 $T_i$에서 $T_j$로의 간선은 프로세스 $T_j$가 가지고 있는 자원들에 대해, 프로세스 $T_i$가 그 자원이 필요하여 방출하기를 기다리는 것이다.
간선 $T_i\to T_j$는 해당 자원 할당 그래프가 자원 $R_q$에 대해 2개의 간선 $T_i\to R_q$와 $R_q\to T_j$를 포함하는 경우에만 대기 그래프에 존재한다.

8.7.2 Several Instances of a Resource Type

대기 그래프는 종류마다 자원이 여러 개씩 존재하는 상황에서는 사용할 수 없다.
시시각각 내용이 달라지는 자료구조를 사용하는 알고리즘을 사용해 교착 상태를 탐지할 수 있다.
- Available: 각 종류의 자원이 현재 몇 개가 가용한지를 나타내는 벡터로 크기가 m이다.
- Allocation : 각 스레드에 현재 할당된 자원의 개수를 나타내는 행렬로 크기가 n x m 이다.
- Request : 각 스레드가 현재 요청 중인 자원의 개수를 나타내는 행렬로 크기가 n x m이다.
  - Request[i][j]==k라면 현재 $T_i$가 $R_j$를 k개 요청 중임을 뜻한다.

8.8 Recovery form Deadlock

탐지 알고리즘이 교착 상태가 존재한다고 결정하면, 여러 가지 처리 방법이 있다.
한 가지 방법은 교착 상태가 발생한 것을 운영자에게 통지해, 운영자가 수작업으로 처리하게 하는 것이다.
다른 방법은 시스템이 자동으로 교착 상태로부터 회복하게 하는 것이다.
교착 상태를 깨뜨리는 데는 2가지 방법이 있다.
- 한 가지 방법은 순환 대기를 깨뜨리기 위해 단순히 1개 이상의 스레드를 중지(abort)시키는 것이다.
- 다른 방법은 교착 상태에 있는 하나 이상의 스레드들로부터 자원을 선점하는 것이다.

References

[운영체제]교착상태 회피-은행원 알고리즘 쉬운 예시, 안전상태, 불안전상태- 양햄찌 ↩

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