[ ADD ] Operating System Deadlock - 김채현

OS/Chaehyun/Deadlock.md

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+## Concurrency
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+- 병행성: 여러 개의 스레드가 동시에 실행되는 것처럼 보이는 성질
+- 멀티 코어 환경에서는 실제로 동시에 실행되는 Parallelism과 구분
+  - concurrency
+    - 여러 작업이 겹쳐 진행되는 구조 (인터리빙)
+    - 단일 코어에서도 가능 (타임슬라이스 + 컨텍스트 스위치)
+  - parrellelism
+    - 물리적으로 동시에 실행(멀티코어)
+    - 단일 코어에서도 concurrency 문제가 생기나? => 인터리빙 때문에 race 발생
+  - os에서 concurrency가 어려운 이유
+    - 공유 자원: 메모리, 파일, 소켓, 커널 자료구조(runqueue 등)
+    - 스레드 스케쥴링에 의해 실행 순서가 바뀜 -> 결과가 바뀜
+    - 원자적으로 보이던 연산이 사실 여러 단계(load/add/store)로 쪼개짐   
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+### thread vs Process
+- process: 독립된 메모리 공간(Code, Data, Heap, Stack)을 가짐
+- thread: 프로세스 내에서 stack을 제외한 나머지 메모리 영역 공유
+  - 장점: 컨텍스트 스위칭 비용 저렴. 데이터 공유 용이.
+  - 단점: 동기화 문제(Race Condition) 발생. 하나의 스레드 장애가 전체 프로세스에 영향
+  - 스레드 안전성을 깨는 원인
+    - Atomicity 위반: 한 덩어리여야 하는데 쪼개짐
+    - Ordering 위반: 한 스레드의 쓰기가 다른 스레드에 제때 보이지 않음
+      ```c
+      // 겉보기: 1줄
+      counter = counter + 1;
+
+      // 실제: (개념적으로) load → add → store
+      ```
+      두 스레드가 interleaving되면 lost update 발생
+    - Ordering/Visibility
+      - 컴파일러/CPU는 성능을 위해 재정렬 가능
+      - 캐시/버퍼 때문에 내가 쓴 값이 상대에게 바로 안보일 수 있음
+      - 동기화는 상호배제 + 메모리 가시성 보장까지 포함
+        - mutex lock/unlock은 보통 acquire/release 메모리 의미를 제공 
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+### Race Condition 
+- 여러 프로세스/스레드가 공유 자원에 동시에 접근하여 결과값이 접근 순서에 따라 달라지는 상태
+- race condition
+  - 결과가 실행 순서에 의존해서 달라질 때
+  - 버그인지 아닌지는 의도/명세에 달림
+    - 어떤 프로그램은 인터리빙이 달라도 결과가 같도록 설계되어 race-free
+- data race
+  - 두 스레드가 같은 메모리 위치에 접근하고, 최소 하나가 write, 그리고 그 접근들이 동기화되지 않을 때
+  - 정의되지 않은 동작 또는 예측 불가능한 동작으로 이어짐
+  - Data race ⊂ Race condition 인 경우가 많지만,
+  - race condition은 있지만 data race는 없는 설계도 가능함 (락/원자변수로 동기화해서 결과만 순서에 따라 달라ㄴ지는 경우)   
+
+### Critical Section
+- 공유 자원에 접근하는 코드 영역
+- 3가지 조건을 만족해야 함
+  1. Mutual Exclusion (상호배제): 하나의 하나만 진입
+  2. Progress (진행): 아무도 없으면 진입하려는 프로세스는 바로 진입 가능해야 함
+  3. Bounded Waiting(한정대기): 무한히 기다려서는 안됨 (Starvation 방지)
+
+### Synchronization Tools
+- Mutex (Mutual Exclusion)
+  - Locking 메커니즘: 자원을 점유할 때 lock()을 걸고, 반납할 때 unlock()
+  - Binary Semaphore와 유사하지만, Ownership 개념이 있어 Lock을 건 스레드만 해제 가능
+- Semaphore
+  - Signaling 매커니즘: 정수 변수 S를 사용하여 가용한 자원의 개수를 나타냄
+  - wait(): S를 감소 시킴. S < 0이면 대기
+  - signal(): S를 증가시킴. 대기 중인 프로세스를 깨움
+- Monitor
+  - 세마포어의 복잡한 구현을 해결하기 위해 고안된 고수준 동기화 도구
+  - Java의 synchornized
+  - 내부적으로 Condition Variable을 사용하여 실행 순서 제어 (wait(), signal())
+  - condition variable
+    - 락만으로는 조건이 만족될때까지 기다리기를 표현하기 어려움
+    - 큐가 비어있으면 소비자는 락을 잡은 채로 대기하면 안됨. 생산자가 못 들어옴
+    - 항상 mutex와 함께, while로 조건 검사하기
+      - spurious wakeup, signal 경쟁, 꺠어난 뒤  조건이 다시 깨질 수 있음  
+
+### Locks
+- 락이 보장해야 하는 것
+  - Safety
+    - mutual exclusion 보장
+    - 보호하는 데이터 불변식 깨지지 않음
+  - Liveness
+    - deadlock-free
+    - starvation-free
+  - Performance
+    - 경쟁 없을 때 빠름
+    - 경쟁 있을 때도 과도한 CPU 낭비/컨텍스트스위치 최소화
+- Spin vs Sleep
+  - Spin
+    - 컨텍스트 스위치 없이 짧게 끝날 때 유리
+    - 오래 기다리면 CPU 낭비
+  - Sleep
+    - 오래 기다릴 때 CPU 절약
+    - 대신 잠들고 깨는 비용(스케줄링/시스템콜)이 듦      
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+### Problems
+- Producer-Consumer Problem
+  - 공유 버퍼에 데이터를 넣는 생산자와 가져가는 소비자의 속도 차이 및 동기화 문제
+  - 해결: Empty/Full 세마포어와 Mutex 사용
+- Dining Philosophers Problem
+  - 교착 상태를 설명하기 위한 대표적 모델
+  - 문제: 모두가 왼쪽 포크를 집으면 아무도 오른쪽 포크를 집을 수 없어 무한 대기 발생
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+## Deadlock
+<img width="679" height="514" alt="image" src="https://github.com/user-attachments/assets/ba6efc05-7e32-41c5-96d6-171e2213bbe7" />
+스레드 1은 자원 A를 점유하고 있는 상태에서 자원 B가 필요한 상황, 스레드 2는 자원 B를 점융하고 있는 상태에서 자원 A가 필요한 상황
+=> 스레드 1인 자원 B가 필요한 상황에서 자원 A을 빌려줄 수 있는 상황이 아니고, 스레드2도 마찬가지
+=> 다수의 스레드가 같은 lock을 동시에, 다른 명령에 의해 획득하려 할 때 서로 불가능한 일ㅇ르 계속적으로 기다리는 ㄴ상황
+
+- 두 개 이상의 프로세스가 서로 상대방이 보유한 자원을 기다리며 무한히 대기하는 상태
+- 발생 조건
+  1. Mutual Exclusion(상호배제): 자원은 한번에 한 프로세스만 사용 가능
+  2. Hold and Wait(점유와 대기): 자원을 가진 상태에서 다른 자원을 기다림
+  3. No Preemption(비선점): 다른 프로세스의 자원을 강제로 뺏을 수 없음
+  4. Circular Wait(환형 대기): 대기 프로세스들이 사이클을 형성
+- 자원 할당 그래프 (Resource Allocation Graph)
+  - Vertex: 프로세스(P)와 자원(R)
+  - Edge: P -> R (요청), R -> P(할당)
+  - 그래프에 Cycle이 없으면 데드락이 아님. Cycle이 있을 때, 자원의 인스턴스가 하나라면 100% 데드락
+- 해결 전략
+  - Deadlock Prevention
+    - 상호배제 부정: 모든 자원을 공유 가능하게 함
+    - 저유대기 부정: 실행 전 모든 자원을 한꺼번에 요청하거나, 아무것도 안가졌을 때만 요청 가능
+    - 비선점 부정: 요청한 자원을 못얻으면 가진 걸 다 내려놓음
+    - 환형 대기 부정: 자원에 고유 번호를 매기고 오름차순으로만 요청
+  - Deadlock Avoidance
+    - 자원 용청 시 시스템이 Safe State를 유지할 수 있는지 동적으로 확인
+    - Banker's Algorithm: 최악의 상황(모든 프로세스가 최대 자원 요청)을 가정해도 해결 가능한지 판단
+      - 가용 자원 >= 필요량인 프로세스를 찾아 순차적으로 실행
+  - Deadlock Detection & Recovery
+    - 데드락 발생을 허용하되, 주기적으로 체크핳여 해결
+    - Deteection: 자원할당 그래프를 통해서 사이클 탐지
+    - Recovery:
+      - Process Termination: 데드락 걸린 프로세스를 모두 종료하거나 하나씩 종료하며 해소 확인
+      - Resource Preemption: 희생자를 선정해 자원을 강제로 뺏음
+  - Deadlock Ignorance
+    - Ostrich Algorithm: 데드락이 매우 드물게 발생하므로 무시
+    - 현대 대부분의 OS가 채택하는 방식