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OS : 교착상태 DeadLock
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- Bora Choi
DeadLock의 개념
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Blocked/ Asleep state
- 프로세스가 특정 이벤트를 기다리는 상태
- 프로세스가 필요한 자원을 기다리는 상태
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Deadlock state
- 프로세스가 발생 가능성이 없는 이벤트를 기다리는 경우 : 프로세스가 deadlock 상태에 있음
- 시스탬 내에 deadlock에 빠진 프로세스가 있는 경우 : 시스템이 deadlock 상태에 있음
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Deadlock vs Starvation
- starvation: ready 상태
- daedlock : asleep 상태, transition impossible
자원의 분류
- 일반적 분류
- HW resources vs SW resources
- 다른 분류법
- 선점 가능 여부에 따른 분류
- 할당 단위에 따른 분류
- 동시 사용 가능 여부에 따른 분류
- 재사용 가능 여부에 따른 분류
선점 가능 여부에 따른 분류
- Preemptible resources
- 선점당한 후, 돌아와도 문제가 발생하지 않는 자원
- Processor,memory 등
- Non-preemptible resources
- 선점 당하면, 이후 진행에 문제가 발생하는 자원 : Rollback, restart 등 특별한 동작이 필요
- disk drive 등
할당 단위에 따른 분류
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Total allocation resources
- 자원 전체를 프로세스에게 할당
- Processor,disk drive등
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Partitioned allocation resources
- 하나의 자원을 여러 조각으로 나누어, 여러 프로세스들에게 할당
- memory 등
동시 사용 가능 여부에 따른 분류
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Exclusive allocation resources
- 한순간에 한 프로세스만 사용 가능한 자원
- Processor,memory, disk drive 등
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Shared allocation resource
- 여러 프로세스가 동시에 사용 가능한 자원
- Programs(sw), shared data 등
재사용 가능 여부에 따른 분류
- SR (serially-reusable resources)
- 시스템 내에 항상 존재하는 자원
- 사용이 끝나면, 다른 프로세스가 사용 가능
- Processor, memory, disk drive, program 등
- CR (Consumable Resources)
- 한 프로세스가 사용한 후에 사라지는 자원
- signal, message 등
Deadlock과 자원의 종류
- deadlock을 발생시킬 수 있는 자원의 형태
- Non-preemptible resources
- Exclusive allocation resources
- Serially reusable resources
- CR을 대상으로 하는 deadlock model
- 너무 복잡
Deadlock 발생으 필요조건
- 자원의 특성
- Exclusive use of resources
- Non-preemptible resources
- 프로세스의 특성
- Hold and wait(Partial allocation)
- 자원 하나 hold 하고 다른 자원 요청
- Circular wait
- Hold and wait(Partial allocation)
Deadlock 해결 방법
- Deadlock prevention methods
- Deadlock avoidance method
- Deadlock detection and deadlock recovery methods
Deadlock Prevention
- 4개의 deadlock 발생 필요 조건 중 하나를 제거
- Deadlock이 절대 발생하지 않음
모든 자원의 공유 허용
- Exclusive use of resources 조건 제거
- 현실적을 불가능
모든 자원에 대한 선점 허용
- Non-preemptible resources 조건 제거
- 현실적으로 불가능
- 유사한 방법
- 프로세스가 할당받을 수 없는 자원을 요청한 경우, 기존에 가지고 있던 자원을 모두 반납하고 작업 취소
- 이후 처음(또는 check-point) 부터 다시 시작
- 심각한 자원 낭비 발생 ➡️ 비현실적
- 프로세스가 할당받을 수 없는 자원을 요청한 경우, 기존에 가지고 있던 자원을 모두 반납하고 작업 취소
필요 자원 한번에 모두 할당(total allocation)
- Hold and wait 조건 제거
- 자원 낭비 발생 : 필요하지 않은 순간에도 가지고 있음
- 무한 대기현상 발생 가능
circular wait 조건 제거
- Totally allocation을 일반화 한 방법
- 자원들에게 순서를 부여
- 프로세스는 순서의 증가 방향으로만 자원 요청 가능
- 자원 낭비 발생
❇️ Deadlock Prevention
- 4개의 deadlock 발생 필요 조건 중 하나를 제거
- Deadlock 이 절대 발생하지 않음
- 심각한 자원 낭비 발생
- low device utilization
- reduced system throughput
- 비현실적
Deadlock Avoidance
- 시스템의 상태를 계속 감시
- 시스템이 deadlock 상태가 가능성이 있는 자원 할당 요청 보류
- 시스템을 항상 safe state로 유지
Safe state
- 모든 프로세스가 정상적 종류 가능한 상태
- Safe sequence가 존재 : Deadlock 상태가 되지 않을 수 있음을 보장
Unsafe state
- Deadlock 상태가 될 가능성이 있음
- 반드시 발생한다는 의미는 아님
가정
- 프로세스의 수가 고정됨
- 자원의 종류와 수가 고정됨
- 프로세스가 요구하는 자원 및 최대 수량을 알고 있음
- 프로세스는 자원을 사용후 반드시 반납한다
➡️ Not practical!
Deadlock Avoidance Algorithm
- Banker's algorithm
- Habermann's algorithm
Dijkstra's banker's algorithm
- Deadlock avoidance를 위한 간단한 이론적 기법
- 한 종류(resource type)의 자원 여러 개 (unit)
- 시스템을 항상 safe state로 유지
Habermann's algorithm
- Dijkstra's algorithm의 확장
- 여러 종류의 자원 고려
- multiple resource types
- multiple resource units for each resource type
- 시스템을 항상 safe state로 유지
✳️ Deadlock Avoidance
- Deadlock의 발생을 막을 수 있음
- High overhead : 항상 시스템을 감시하고 있어야한다
- Low resource utilization : safe state유지를 위해, 사용되지 않는 자원이 존재
- Not practical
- 가정 : 프로세스 수, 자원수 고정/ 필요한 최대 자원 수를 알 수 있음
Deadlock Detection
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Deadlock 방지를 위한 사전 작업을 하지 않음
- Deadlock이 발생 가능
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주기적으로 deadlock 발생 확인
- 시스템이 deadlock 상태인가?
- 어떤 프로세스가 deadlock 상태인가?
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Resource Allocation Graph (RAG) 사용
Resource Allocation Graph (RAG)
- Deadlock 검출을 위해 사용
- Directed, bipartite Graph
Deadlock Detection Method
Graph reduction
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주어진 RAG에서 edge를 하나씩 지워가는 방법
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Completely reduced
- 모든 edge가 제거 됨
- Deadlock에 빠진 프로세스가 없음
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Irreducible
- 지울 수 없는 edge가 존재
- 하나 이상의 프로세스가 deadlock 상태
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Unblocked process
- 필요한 자원을 모두 할당 받을 수 있는 프로세스
Graph reduction procedure
- Unblocked process에 연결 된 모든 edge를 제거
- 더 이상 unblocked process가 없을 때까지 1 반복
- 최종 Graph에서
- 모든 edge가 제거 됨 (Completely reduced)
- 현재 상태에서 deadlock이 없음
- 모든 edge가 제거 됨 (Completely reduced)
- 일부 edge가 남음 (irreducible)
- 현재 deadlock이 존재
Graph Reduction
- High overhead
- 검사 주기에 영향을 받음
- Node의 수가 많은 경우
Deadlock Recovery
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Deadlock을 검출 한 후 해결 하는 과정
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Deadlock recovery methods
- Process termination
- Deadlock 상태에 있는 프로세스를 종료 시킴
- 강제 종료 된 프로세스는 이후 재시작 됨
- Process termination
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Resource preemption
- Deadlock 상태 해결 위해 선점할 자원 선택
- 선정 된 자원을 가지고 있는 프로세스에서 자원을 빼앗음
- 자원을 빼앗긴 프로세스는 강제 종료 됨
Process termination
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Deadlock 상태인 프로세스 중 일부 종료
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Termination cost model
- 종료 시킬 deadlock 상태의 프로세스 선택
- Termination cost - 우선순위 / Process priority - 종류 / Process type - 총 수행 시간 / Accumulated execution time of the process - 남은 수행 시간 / Remaining time of the process - 종료 비용 / Accounting cost
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종료 프로세스 선택
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Lowest-termination cost process first
- Simple
- Low overhead
- 불필요한 프로세스들이 종료 될 가능성이 높음
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Minimum cost recovery
- 최소 비용으로 deadlock 상태를 해소 할 수 있는 process 선택
- 모든 경우의 수를 고려 해야 함
- Complex
- High overhead
- O(2k)
- 최소 비용으로 deadlock 상태를 해소 할 수 있는 process 선택
Resource preemption
- Deadlock 상태 해결을 위해 선점할 자원 선택
- 해당 자원을 가지고 있는 프로세스를 종료 시킴
- Deadlock 상태가 아닌 프로세스가 종료 될 수도 있음
- 해당 프로세스는 이후 재시작 됨
- 선점할 자원 선택
- Preemption cost model 이 필요
- Minimum cost recovery method 사용
- O(r)
Checkpoint-restart method
- 프로세스의 수행 중 특정 지점(checkpoint) 마다 context를 저장
- Rollback을 위해 사용
- 프로세스 강제 종료 후, 가장 최근의 checkpoint에서 재시작