[ ADD ] Operating System Deadlock - 한수정

OS/Soojeong/Deadlock.md

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+### 데드락 (Deadlock)
+
+데드락, 즉 `교착 상태`를 한마디로 정의하면 “이러지도 저러지도 못하는 꽉 막힌 상태"예요. 하지만 이를 제대로 이해하려면 먼저 우리 시스템에서 작업이 어떻게 돌아가는지 알아야 해요. 프로세스에 대해 정리한 지 시간이 많이 지나, 프로세스와 스레드에 대해 간단하게만 정리하고 넘어갈게요.
+
+### 프로세스와 스레드: 작업의 기본 단위
+
+프로그램이 실행되는 기본 단위 두가지를 비교해볼게요.
+
+| **구분**      | **프로세스 (Process)**              | **스레드 (Thread)**                   |
+| ------------- | ----------------------------------- | ------------------------------------- |
+| **정의**      | 실행 중인 프로그램의 독립적인 단위  | 프로세스 내부의 작업 흐름             |
+| **자원 공유** | 독립된 메모리 영역 (공유 X)         | Stack을 제외한 영역을 서로 공유       |
+| **장점**      | 하나가 죽어도 다른 쪽에 영향이 적음 | 응답 속도가 빠르고 효율적인 자원 사용 |
+| **단점**      | 컨텍스트 스위칭 비용이 높음         | 동기화 문제 및 데드락 위험 존재       |
+
+<aside>
+❓
+
+왜 스레드는 더 빠를까?
+
+스레드는 한 집 (프로세스)에 살며 Heap, Data, Code를 공유하는 가족과 같아요.
+
+- 효율적인 통신: 방을 옮겨 다닐 때 짐을 새로 쌀 필요가 없습니다. 즉, 메모리 재할당이 필요 없습니다.
+- 가벼운 전환: 다음 일꾼으로 교체할 때 확인해야 할 정보가 훨씬 적어 빠릅니다.
+</aside>
+
+<aside>
+❓
+
+멀티스레드의 문제점
+
+‘왜 스레드는 더 빠를까?’에서 스레드는 공유자원을 사용해 더 빠르고 효율적이라고 했는데, 그만큼의 위험도 따라요. 여러 명이 하나의 공유자원에서 동작할 때, 순서를 정하지 않으면 사고가 나는 것과 같아요.
+
+- 경쟁 상태 (Race Condition): 두 스레드가 하나의 데이터를 동시에 수정하려다 데이터가 꼬이는 현상
+- 동기화 (Synchronization): 레이스 컨디션을 막기 위해 한 번에 한 스레드만 자원을 쓰도록 lock을 거는 것
+- 데드락 (Deadlock): 동기화를 잘못 사용했을 때 발생하며, 서로 상대방의 lock을 기다리다 영원히 멈춰버리는 현상
+</aside>
+
+### 데드락은 동기화 도구를 잘못 써서 생기는 문제인가 ?
+
+```
+공유 자원
+-> 동시에 접근하면 위험
+-> 그래서 lock을 건다 (동기화)
+-> lock이 꼬이면 데드락
+```
+
+데드락을 알기 위해서는 이 흐름을 알아야 해요.
+
+1. 경쟁 상태 (Race Condition)
+
+- 여러 스레드가 같은 자원을 동시에 접근하는 상황
+- 실행 순서에 따라 매법 결과가 달라지는 불안정한 상태가 됨
+  ⇒ 여러 스레드가 동시에 접근하지 못하게 막아야겠다 ! (lock의 필요성)
+
+1. 임계 구역 (Critical Section)
+
+- 공유 자원에 접근하는 위험한 코드 구간
+- 이 구간은 반드시 한 번에 하나의 스레드만 실행해야 함
+  ⇒ 이 구역의 입구에 lock을 걸어두면 되겠다.
+
+1. 동기화 필요성
+
+- lock을 걸면 속도가 느려지는데 꼭 필요한가 ?
+  ⇒ lock을 걸지 않으면 데이터가 깨짐
+  ⇒ 느린 것보단 틀린 게 더 문제가 됨
+
+1. Mutex vs Semaphore (lock을 거는 방법)
+
+- Mutex: 한 명만 가질 수 있는 열쇠, 열쇠를 가진 스레드만 임계 구역에 들어갈 수 있음
+  ```
+  a 스레드가 lock
+  -> a만 unlock 가능
+  -> b가 대신 unlock 불가
+  ```
+- Semaphore: 여러 명이 사용 가능한 번호표, 허용된 개수만큼 스레드가 들어갈 수 있음
+
+  ```
+  프린터 3대, 스레드 10개
+  -> 최대 3명이 프린터 동시 사용 가능
+  -> 누가 어떤 프린터 사용하는지는 중요하지 않음
+  => semaphore = 3
+
+  스레드가 프린터 사용하려고 할 때,
+  wait()
+  -> 남은 프린터 개수 1 감소
+  -> 남은 프린터 개수가 0 보다 크면 바로 프린터 사용이 가능
+  -> 남은 프린터 개수가 0이면 대기
+
+  다 사용하고 나오면,
+  signal()
+  -> 남은 프린터 개수 1 증가
+  -> 대기 중이던 스레드를 하나 깨움
+
+  ------
+  signal을 누가 했는지 중요하지 않음
+  -> Semaphore는 이 signal이 누가 들어가서 썼는지 추적하지 않음
+  ```
+
+- Mutex = 이 방은 지금 누가 쓰고 있나?
+- Semaphore = 이 건물에 몇 명까지 들어올 수 있나?
+
+⇒ Mutex는 소유 개념이 있고, Semaphore는 소유 개념 없이 개수만 관리
+
+```
+공유 자원이 존재
+-> 데이터 오염 방지를 위해 임계 구역 설정
+-> lock(mutex/semaphore)을 걸어 순서 제어
+-> 이 lock이 꼬여 서로가 서로를 기다리는
+-> 데드락 발생
+```
+
+### 왜 lock이 꼬여 서로가 서로를 기다릴까 ?
+
+데드락은 아래 설명할 4가지 조건이 단 하나도 빠짐없이 동시에 성립할 때만 발생해요. 반대로 말하면, 이 중 하나라도 깨지면 데드락은 성립되지 않아요.
+
+1. 상호 배제 (Mutual Exclusion)
+
+   한 자원은 한 번에 하나의 프로세스(또는 스레드)만 사용할 수 있는 상태예요. 데이터가 꼬이는 걸 막기 위해 우리는 의도적으로 lock을 걸어 이런 상황을 만들었어요.
+
+2. 점유와 대기 (Hold and Wait)
+
+   프로세스가 이미 가진 자원은 놓지 않은 채, 다른 자원이 풀리기만을 기다리는 상태예요.
+
+3. 비선점 (No Preemption)
+
+   자원을 가진 프로세스로부터 강제로 자원을 빼앗을 수 없는 상태예요. 자원은 오직 자발적으로 반납할 때만 다시 사용가능해서, 다른 하나가 자원을 놓지 않으면 다른 쪽은 계속 기다릴 수 밖에 없어요.
+
+4. 순환 대기 (Circular Wait)
+
+   대기하는 프로세스들이 원 형태를 이루는 상태예요.
+   a는 b의 자원을 기다리고,
+   b는 c의 자원을 가디라고,
+   c는 a를 기다리게 되면 아무도 움직일 수 없는 데드락이 완성돼요.
+   - 자원 할당 그래프 (Resource Allocation Graph)
+
+     데드락을 설명할 때 순환 대기를 시각적으로 보여주는 도구로,
+     프로세스는 원, 자원은 사각형으로 그려요.
+
+     화살표가 자원 -> 프로세스면 할당,
+     프로세스 -> 자원이면 대기예요.
+
+     이 그래프에서 사이클이 발견되면 데드락이 발생했거나 발생할 가능성이 있다는 뜻이에요.
+
+### 어떻게 이 데드락 상태를 벗어날 수 있을까 ?
+
+데드락을 해결하는 방법도 크게 4가지로 나눌 수 있어요.
+
+1. 데드락 예방 (Prevention)
+
+   데드락 발생 조건 4가지 중 하나를 아예 발생하지 않도록 설계하는 방법이에요.
+   - 상호 배제 제거: 모든 자원을 공유하게 만드는 방식 (현실적으로 거의 불가능)
+   - 점유와 대기 제거: 자원이 필요한 경우, 한 번에 모든 자원을 요청하도록 강제함
+   - 비선점 제거: 자원을 점유한 프로세스가 다른 자원을 기다릴 때, 현재 가진 자원을 강제 회수함
+   - 순환 대기 제거: 자원에 순서를 매겨, 반드시 정해진 순서(낮은 번호 → 높은 번호)로만 요청하게 함
+
+   ⇒ 특징: 데드락은 확실히 막지만, 자원 활용도가 낮아지고 비효율적이라는 단점이 있어요.
+
+2. 데드락 회피 (Avoidance)
+
+   자원 할당 시 데드락 발생 가능성을 미리 계산하여 안전한 경우에만 자원을 할당하는 방법이에요.
+   - 은행원 알고리즘(Banker’s Algorithm): 자원을 할당했을 때 시스템이 '안전 상태(Safe State)'를 유지할 수 있는지 미리 검사해요. 안전하다면 할당, 아니면 대기해요.
+
+   ⇒ 특징: 데드락을 유연하게 막을 수 있지만, 프로세스가 사용할 최대 자원량을 미리 알아야 한다는 제약이 있어요.
+   실제 프로그램이 실행 중에 얼마나 많은 메모리나 자원을 쓸지 예측하는 것은 어려워서 잘 쓰이지 않아요.
+
+3. 데드락 탐지 및 회복 (Detection & Recovery)
+
+   데드락 발생을 허용하되, 시스템이 주기적으로 데드락 여부를 체크하여 발견 시 조치하는 방법이에요.
+   - 탐지: 자원 할당 그래프 등을 통해 현재 데드락이 발생했는지 감시
+   - 회복: 데드락에 빠진 프로세스를 강제 종료하거나, 필요한 자원을 강제로 회수(선점)하여 해결
+
+   ⇒ 특징: 예방/회피보다 시스템 부담은 적지만, 작업이 중단되거나 데이터 손실 위험이 있어요.
+
+4. 데드락 무시 (Ostrich Algorithm)
+
+   데드락 처리 비용이 발생 확률보다 크다고 판단될 때 사용하는 현실적인 대처법이에요.
+   - 타조 알고리즘: 타조가 모래에 머리를 박듯 문제를 무시
+
+   ⇒ 현실: Windows, Linux 등 현대 운영체제는 데드락이 매우 드물게 발생하므로, 별도의 방지 로직을 두기보다 사용자가 직접 프로세스를 종료하게 함으로써 성능 이득을 챙기는 방법이에요.
+
+### 식사하는 철학자
+
+데드락을 검색하면 대표적으로 나오는 고전 문제예요.
+
+> 5명의 철학자가 원탁에 앉아서 식사를 한다. 철학자들 사이에는 포크가 하나씩 놓여 있고, 철학자들은 다음의 과정을 통해 식사를 한다.
+>
+> 1. 일정 시간 생각을 한다.
+> 2. 왼쪽 포크가 사용 가능해질 때까지 대기한다. 만약 사용 가능하다면 집어든다.
+> 3. 오른쪽 포크가 사용 가능해질 때까지 대기한다. 만약 사용 가능하다면 집어든다.
+> 4. 양쪽의 포크를 잡으면 일정 시간만큼 식사를 한다.
+> 5. 오른쪽 포크를 내려놓는다.
+> 6. 왼쪽 포크를 내려놓는다.
+> 7. 다시 1번으로 돌아간다.
+
+이 문제는 앞에서 정리한 데드락 발생 조건 4가지를 모두 만족하는 상황을 그대로 보여주는 예제예요.
+
+1. 상호 배제 (Mutual Exclusion)
+
+   포크는 한 번에 한 철학자만 사용할 수 있어요.
+
+   즉, 포크는 **공유 자원이지만 동시에 사용될 수 없는 자원**이며, 이는 상호 배제 조건을 만족해요.
+
+2. 점유와 대기 (Hold and Wait)
+
+   각 철학자는 왼쪽 포크를 이미 집어든 상태에서, 오른쪽 포크가 사용 가능해질 때까지 기다려요.
+
+   자원을 하나 점유한 채, 다른 자원을 기다리는 상황이에요.
+
+3. 비선점 (No Preemption)
+
+   이미 다른 철학자가 집어든 포크를 강제로 빼앗을 수 있는 방법은 없어요.
+
+   포크는 오직 사용 중인 철학자가 내려놓아야만 다시 사용 가능해요.
+
+4. 순환 대기 (Circular Wait)
+
+   모든 철학자가 동시에 왼쪽 포크를 집는 순간,
+
+   각 철학자는 오른쪽 포크를 기다리게 된다.
+
+   이때,
+   - 철학자 A는 B의 포크를 기다리고
+   - 철학자 B는 C의 포크를 기다리며
+   - …
+   - 마지막 철학자는 다시 A의 포크를 기다리는
+
+   원형 구조의 대기 관계가 형성되고, 결국 아무도 포크를 내려놓을 수 없는 데드락 상태가 돼요.
+
+---
+
+정리
+
+- 데드락 한마디로
+
+  두 개 이상의 작업이 서로가 가진 자원을 기다리느라 둘 다 영원히 멈춰버린 상태를 말함
+  쉽게 비유하자면, 두 사람이 외나무다리에서 만났는데 서로 먼저 비키라고 요구하며 아무도 움직이지 못하는 상황
+
+- 데드락 발생 조건
+
+  4가지 조건이 동시에 만족되어야 함
+
+  상호 배제(Mutual Exclusion): 자원은 한 번에 한 프로세스만 사용할 수 있음
+
+  점유와 대기(Hold and Wait): 자원을 가진 상태에서 다른 자원을 기다림
+
+  비선점(No Preemption): 다른 프로세스의 자원을 강제로 뺏을 수 없음
+
+  환형 대기(Circular Wait): 프로세스들이 원 형태로 서로의 자원을 대기함
+
+- 가장 현실적인 데드락 해결 법
+
+  순환 대기 방지,
+  모든 자원에 순서를 정해두고 무조건 정해진 순서대로만 자원을 요청하게 만들면 서로 꼬리를 물 일이 없어서 데드락이 원천적으로 예방됨
+
+- 데드락이 발생하면 시스템은 어떻게 대처할지
+
+  보통 두 가지 방법을 사용하는데, 데드락에 빠진 프로세스를 강제 종료하거나,
+  한쪽 프로세스가 가진 자원을 강제로 선점해서 다른 쪽에게 몰아주는 방식으로 해결
+
+  만약 중요도가 낮은 시스템이라면 그냥 무시하고 재부팅하기도 함
+
+- 기아 상태, 데드락 차이
+
+  데드락은 프로세스들이 서로 자원을 붙잡은 채 기다리면서
+  아무도 앞으로 진행하지 못하는 완전히 멈춘 상태
+
+  기아 상태는
+  특정 프로세스의 우선순위가 낮아서
+  자원을 계속 못 받고 혼자만 계속 기다리는 불공평한 상태
+  -> 이때 시스템 자체는 정상적으로 동작할 수 있음
+
+  기아 상태는 오래 기다린 프로세스의 우선순위를 올려주는
+  에이징(Aging) 기법으로 해결 가능