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Operating System Concepts Myongji Univ.7.1

7 장 교착상태 (Deadlocks)

• 시스템 모델

• 교착상태의 특징

• 교착상태 처리 방법

• 교착상태 예방

• 교착상태 회피

• 교착상태 탐지

• 교착상태로부터의 회복


교착상태란 ?

• 여러 프로세스들이 각자 자원을 점유하고 있으면서 다른 프로세스가 점유하고 있는 자원을 요청하면서 무한하게 대기하는 상태

• 예 1: – 시스템에 두개의 테이프 드라이브가 있을때 , 프로세스 P1 과

P2 가 하나씩 테이프 드라이브를 사용하면서 상대방 프로세스의 테이프 드라이브를 필요로 함

• 예 2:– 두개의 세마포어 A 와 B, ( 초기값은 1)

P0 P1

wait (A); wait(B);

wait (B); wait(A);


교착상태란 ?

• 두 자동차가 다리의 한쪽을 차지하고 있으면서 서로 다른 한쪽을 차지하려고 함 .

• 상대방 자동차가 뒤로 가주기를 무한히 기다림 .


시스템 모델

• 시스템의 자원들 : CPU, 기억장치공간 , 파일 , 입출력장치 등

• 각 자원 유형 Ri 는 여러개의 사례 (instances) 를 가질 수 있다 .– 시스템에 두개의 CPU 가 있다면 , CPU 자원 유형은 두개의

사례를 가짐

• 프로세스가 자원을 사용하려면 다음 순서로 수행함– 요청 (request)

요청이 즉시 허용되지 않는 경우 , 자원을 얻을때까지 대기함

– 사용 (use)

– 해제 (release)


교착상태의 특징

• 상호배제 (Mutual exclusion): 한번에 오직 한 프로세스만이 자원을 사용할 수 있다 .

• 점유와 대기 (Hold and wait): 프로세스가 적어도 하나의 자원을 점유하면서 다른 프로세스가 점유하고 있는 자원을 추가로 얻기위해 대기한다 .

• 비선점 (No preemption): 점유된 자원은 강제로 해제될 수 없고, 점유하고 있는 프로세스가 작업을 마치고 자원을 자발적으로 해제한다 .

• 순환대기 (Circular wait): 대기하고 있는 프로세스 집합 {P0, P1, …, Pn} 에서 P0 은 P1이 점유한 자원을 대기하고 , P1은 P2가 점유한 자원을 대기하고 , Pn–1 은 계속해 Pn 을 대기하며 , Pn 은 P0이 점유한 자원을 대기한다 .

교착상태는 다음 네 조건이 동시에 만족될때 발생한다 .


자원 할당 그래프

• 자원 할당 그래프 : 프로세스와 자원간의 관계를 나타내는 그래프

• 정점의 두 형태– 프로세스들을 나타내는 정점 P = {P1, P2, …, Pn}– 자원들을 나타내는 정점 R = {R1, R2, …, Rm}

• 간선의 두 형태– 요청선 (request edge) : 프로세스 정점에서 자원 정점으로의 연결선

Pi Rj

– 할당선 (assignment edge) : 자원 정점에서 프로세스 정점으로의 연결선 Rj Pi

그래프란 , 정점 (vertex) 들과 정점을 연결하는 간선 (edge) 들로 이루어진 것 .


자원 할당 그래프 (Cont.)

• 프로세스 : 원으로 표현

• 자원 : 사각형으로 표현하며 , 사례의 개수를 점으로 나타냄

• Pi 가 자원 형태 Rj 의 한 자원을 요청함

• Pi 가 자원 형태 Rj 의 한 자원을 점유하고 있음Pi

Pi

Rj

Rj


자원 할당 그래프의 예


교착상태가 있는 자원 할당 그래프의 예

주기 ( 싸이클 ) 가 존재 -> 교착상태

두 개의 주기가 존재함

P1 -> R1 -> P2 -> R3 -> P3 -> R2 -> P1

P2 -> R3 -> P3 -> R2 -> P2


주기는 있지만 교착상태가 아닌 자원 할당 그래프

P1 -> R1 -> P3 -> R2 -> P1

그러나 , P4 가 R2 를 해제하면 ,

P3 가 R2 를 사용할 수 있다 .

따라서 , 교착상태가 아니다 .


관찰

• 그래프에 주기가 없으면 교착상태가 없다

• 그래프에 주기가 있으면 – 자원 유형에 하나의 사례만 있으면 , 교착상태– 자원 유형에 여러 사례가 있으면 , 교착상태 가능성


교착상태 처리 방법

• 세가지 방법

1) 교착상태가 발생하지 않도록 보장 : 예방 , 회피

2) 교착상태를 허용하고 , 발생을 탐지한 후 , 복구

3) 문제를 무시하고 교착상태가 발생하지 않는다고 가정 (대부분의 운영체제에서 사용하는 방법 ) 대부분의 시스템은 교착상태가 잘 발생하지 않으며 ,

교착상태 예방 , 회피 , 탐지 및 복구 방법을 사용하는 것은 비용이 많이든다 .


교착상태 예방

• 상호배제 – 공유가능한 자원들은 배타적인 접근이 아니므로 교착상태가 발생하지 않는다 . 예 ) 읽기 전용의 파일

• 점유와 대기 예방 방법– 프로세스가 실행되기 전에 사용할 모든 자원을 함께 요청– 프로세스가 자원을 전혀 갖고있지 않을때만 자원을 요청– 단점

자원의 낮은 사용률 : 자원을 실제로 사용하지 않는 동안에도 자원을 점유하고 있어야 함

기아 상태 가능성

교착상태 발생 네가지 조건 중에서 하나라도 성립하지 않으면 됨


교착상태 예방 (Cont.)

• 비선점 예방 방법– 어떤 자원을 가진 프로세스가 추가의 자원을 요청하여

대기하게 되면 , 가지고 있던 자원을 해제하고 대기함– 대기 중인 프로세스는 이전의 자원들과 새 자원을 모두

갖게되면 재시작함

• 순환대기 예방 방법– 모든 자원 유형에 전체 순서를 부여하고 , 프로세스는

오름차순으로 자원을 요청

• 교착상태 예방법들은 자원의 사용률을 저하시키는 문제점이 있다 .


교착상태 회피

• 각 프로세스는 자원 유형마다 필요한 최대 개수를 선언하고 , 시스템은 이 정보를 이용해서 교착상태가 되지 않도록 하는 방법

• 교착상태 회피 알고리즘은 자원 - 할당 상태를 감시하여 순환대기 조건이 발생하지 않도록 한다 .

• 자원 - 할당 상태 : 자원의 가용 개수와 할당 개수 , 프로세스들의 최대 요구 개수로 정의됨


안정 상태 (Safe State)

• 어떤 프로세스가 자원을 요청하면 , 시스템은 이 자원을 할당한 후의 상태가 안정 상태인지 검사함 .

• 안정 상태 : 특정한 순서대로 각 프로세스에 자원을 할당할 수 있고, 교착상태를 방지할 수 있는 경우

• 프로세스들의 순서 <P1, P2, …, Pn> 는 , 모든 Pi, 에 대해서 Pi 가 요청하는 자원들이 현재 사용가능한 자원들과 j < i 인 Pj 가 점유하는 자원으로서 만족된다면 안정상태이다 .

– 이때 Pi 가 필요한 자원들을 즉시 사용할 수 없다면 , Pi 는 Pj 가 끝날때까지 대기한다 .

– Pj 가 끝나면 , Pi 는 필요한 자원을 획득하고 , 작업을 수행한 후 모든 점유하는 자원을 해제하고 종료한다 .

– Pi 가 종료하면 , Pi+1 이 필요한 자원을 확보하고 계속 처리를 진행한다 .


안정 상태의 예

• 3 개의 프로세스 : P0, P1, P2

• 12 개의 자기 테이프

• 시간 t0에서의 시스템 상태

• 이때 , 시스템은 안정 상태에 있다 .– 프로세스 P1이 먼저 수행되면 , 테이프 장치를 할당받아 작업을 마칠

수 있고 , 다음에 프로세스 P0이 수행되어 테이프 장치를 할당받을 수 있으며 , 다음에 프로세스 P2가 수행되면 모두 완료되기 때문이다.

– 즉 , <P1, P0, P2> 순서는 안정 상태를 충족한다 .

최대 수요 현재 수요

P0 10 5

P1 4 2

P2 9 2

현재 총 수요가 9이므로 남아있는

테이프는 3 개이다


안정 , 불안정 , 교착 상태


관찰

• 시스템이 안정상태라면 교착상태가 없다

• 시스템이 불안정상태라면 교착상태 가능성

• 교착상태는 불안정 상태이다 .

• 그러나 , 불안정 상태라고 해서 모두 교착상태는 아니다 .

• 교착상태 회피 시스템이 불안정상태에 들어가지 않도록 함


자원 할당 그래프 알고리즘

• 자원 유형마다 하나의 자원을 가진 시스템에서 사용한다 .

• 요청가능 선 (Claim edge) Pi Rj : 프로세스 Pj 가 미래에 자원 Rj

를 요청할 것을 의미함 . 점선으로 표현 .

• 요청가능 선은 프로세스가 자원을 요청하면 요청선으로 변환됨

• 요청선은 자원이 할당되면 할당선으로 변환됨

• 프로세스가 자원을 해제하면 할당선은 요청가능선으로 변환됨

• 프로세스가 실행되기 전에 , 프로세스의 모든 요청가능 선들을 자원 할당 그래프에 포함시킴 .

• 그래프에 주기가 생기는 지 검사함– 주기가 없다면 시스템은 안정상태– 주기가 생기면 불안정상태


예

요청선할당선

요청가능선 요청가능선


불안정 상태


은행가 알고리즘 (Banker’s Algorithm)

• 자원 유형에 다수개의 자원을 가진 시스템에서 사용

• 각 프로세스는 실행되기 전에 필요로 하는 모든 자원 형태들의 최대수를 선언한다 .

• 프로세스가 자원을 요구할 때 시스템은 자원을 할당한 후에도 안정 상태로 남아있게 되는 지를 검사함 .

– 안정 상태에 있으면 자원을 할당하고– 그렇지 않으면 다른 프로세스들이 자원을 해제할 때까지

대기함


은행가 알고리즘의 자료 구조

• Available: 길이가 m 인 벡터 .

– available [j] = k : 자원 유형 Rj 에 k 개의 자원 사례가 사용가능함

• Max: n x m 행렬 . – Max [i,j] = k : 프로세스 Pi 는 자원 유형 Rj 에 최대 k 개의 자원을

요청할 수 있음 .

• Allocation: n x m 행렬 . – Allocation[i,j] = k : 프로세스 Pi 는 현재 자원 유형 Rj 의 자원을 k

개 할당받았음 .

• Need: n x m 행렬 . – Need[i,j] = k : 프로세스 Pi 작업을 끝내기 위해서 자원 유형 Rj 의

자원을 k 개 필요로 함 .– Need [i,j] = Max[i,j] – Allocation [i,j].

n = 프로세스의 개수 , m = 자원 유형의 개수


안정 알고리즘 (Safety Algorithm)

시스템이 안정상태인지 판단하는 알고리즘

1.Work 와 Finish 를 길이가 각각 m 과 n 인 벡터라고 하자 . 초기값은 ,

Work := Available

Finish [i] = false, i = 1,2, …, n.

2. 다음과 같이 되는 i 를 찾는다 .

(a) Finish [i] = false

(b) Needi Work

이런 i 가 없다면 , 단계 4 로 간다 .

3. Work := Work + Allocationi

Finish[i] := true단계 2 로 간다 .

4. 모든 i 에 대해서 , Finish [i] = true, 시스템은 안정 상태이다 .


프로세스 Pi 의 자원 요청 알고리즘

Requesti = 프로세스 Pi 의 요청벡터 , 즉 , Requesti [j] = k 이면 , 프로세스 Pi 가 자원 유형 Rj 의 자원 k 개를 요청

1. Requesti Needi 이면 단계 2 로 간다 . 그렇지 않으면 , 오류 .

2. Requesti Available 이면 단계 3 으로 간다 . 그렇지 않으면 Pi 는 대기한다 .

3. 시스템은 상태를 다음과 같이 수정한다 :

Available := Available - Requesti;

Allocationi := Allocationi + Requesti;

Needi := Needi – Requesti;;

• 결과가 안정 상태이면 , 프로세스 Pi 에게 자원을 할당 .

• 불안정 상태이면 , Pi 는 대기하고 , 자원할당 상태는 이전으로 복원된다 .


은행가 알고리즘의 예제

• 5 개의 프로세스 : P0 ~ P4

• 3 개의 자원 유형 : A (10 instances), B (5 instances), C (7 instances).

• 시간 T0:

Allocation Max Available

A B C A B C A B C

P0 0 1 0 7 5 3 3 3 2

P1 2 0 0 3 2 2

P2 3 0 2 9 0 2

P3 2 1 1 2 2 2

P4 0 0 2 4 3 3


예제 (Cont.)

• 행렬 Need 의 내용 : Max – Allocation

Need

A B C

P0 7 4 3

P1 1 2 2

P2 6 0 0

P3 0 1 1

P4 4 3 1

• 이때 이 시스템은 안정상태에 있다 . – < P1, P3, P4, P2, P0> 순서가 안정조건을 충족함


예제 : P1 이 (1,0,2) 를 요청

• Request Available 인지 검사 ( 즉 , (1,0,2) (3,3,2) true 인지 검사 ).

• 조건이 만족되어 다음의 새로운 상태로 가게 됨

Allocation Need Available

A B C A B C A B C

P0 0 1 0 7 4 3 2 3 0

P1 3 0 2 0 2 0

P2 3 0 1 6 0 0

P3 2 1 1 0 1 1

P4 0 0 2 4 3 1

• 이 상태가 안정상태인지 검사 : <P1, P3, P4, P0, P2> 가 안정조건을 충족함

• P4 가 (3,3,0) 을 요청하면 : 자원 부족이므로 허용 불가

• P0 이 (0,2,0) 을 요청하면 : 불안정 상태이므로 허용 불가


교착상태 탐지

• 교착상태가 일어나도록 허용함

• 교착상태가 발생했는 지를 탐지하는 알고리즘이 수행

• 교착상태로부터 회복하는 알고리즘이 수행


각 자원 형태가 하나의 자원을 가진 경우

• 대기 그래프 (wait-for graph)

– 자원 할당 그래프의 변형을 사용함 ( 자원 형태의 노드를 제거 )– 대기 그래프의 노드는 프로세스를 표현함– Pi 가 Pj 의 자원을 대기하는 상태 : Pi Pj

• 탐지 알고리즘은 주기적으로 수행하면서 대기 그래프에 주기가 생기는지 검사함 .

– 그래프의 노드가 n 개 이면 , n2 의 연산이 필요함


자원 할당 그래프와 대기 그래프

자원 할당 그래프 대응하는 대기 그래프


각 자원 형태가 여러 자원을 가진 경우

• 자원 형태의 개수 : m, 프로세스의 개수 : n

• Available: 각 자원 형태마다 사용가능한 자원의 수를 표시하는 길이가 m 인 벡터

• Allocation: 각 프로세스에 현재 할당된 각 형태들의 자원의 수를 표시하는 n x m 형렬

• Request: 각 프로세스의 현재 요청을 표시하는 n x m 행렬 . 만약 Request [I, j] = k 라면 , 프로세스 Pi 는 자원 형태 Rj 의 자원을 k 개 더 요청


탐지 알고리즘

1.Work 와 Finish 는 길이가 각각 m 과 n 인 벡터이고 초기값은 ,(a) Work := Available

(b) For i = 1,2, …, n, if Allocationi 0, then Finish[i] := false; otherwise, Finish[i] := true.

2. 다음과 같은 색인 i 를 찾는다 :

(a) Finish[i] = false

(b) Requesti Work

만약 이런 i 가 없다면 , 단계 4 로 간다 .


탐지 알고리즘 (Cont.)

3.Work := Work + Allocationi

Finish[i] := true단계 2 로 간다 .

4. 어떤 i(1 i n) 에서 Finish[i] = false 가 되면 시스템은 교착상태가 됨 . 그리고 , Finish[i] = false 이면 , Pi 는 교착상태에 있다 .

이 알고리즘은 교착상태에 있는 지를 탐지하기 위해 m x n2 의 연산을 요구한다 .


탐지 알고리즘의 예제

• 다섯개의 프로세스 (P0 ~ P4) 와 세개의 자원 형태 A (7 자원 ), B (2 자원 ), C (6 자원 ).

• 시간 T0:

Allocation Request Available

A B C A B C A B C

P0 0 1 0 0 0 0 0 0 0

P1 2 0 0 2 0 2

P2 3 0 3 0 0 0

P3 2 1 1 1 0 0

P4 0 0 2 0 0 2

• <P0, P2, P3, P1, P4> 순서는 모든 i 에 대해서 Finish[i] = true 로 됨


예제 (Cont.)

• P2 가 자원 형태 C 의 자원을 한 개 더 요청하면 :

Request

A B C

P0 0 0 0

P1 2 0 2

P2 0 0 1

P3 1 0 0

P4 0 0 2

• 시스템의 상태는 ?– 교착상태가 존재


교착상태로부터 회복

• 오퍼레이터가 수동적으로 처리

• 시스템이 자동적으로 처리

• 프로세스 중지– 교착상태에 있는 모든 프로세스를 중지시킴– 교착상태가 해결될 때까지 프로세스를 하나씩 중지

• 자원 선점– 프로세스로부터 자원을 선점해 이들을 교착상태가 해결될

때까지 다른 프로세스에게 준다