[ ADD ] Operating System Deadlock - 남소미

OS/Somi/Deadlock.md

@@ -0,0 +1,385 @@
+# Concurrency Control
+
+# **Multiple-Processor Scheduling**
+
+지금까지 공부했던 SJF, FCFS 등등은 모두 싱글 프로세서를 가진 시스템에서 CPU를 스케줄링 하는 방법에 대한 내용이다.
+
+그러나 요즘은 전부 여러 개의 CPU를 사용 가능한, 멀티프로세서 환경이기 때문에 이를 스케줄링 하는 방법을 알아햐 한다.
+
+만일 여러 개의 CPU를 사용 가능하다면, Load Sharing이 가능하지만, 스케줄링에 어려움이 있다.
+
+**Asymmetric Multiprocessing**
+
+비대칭 멀티프로세싱은 하나의 processor만 시스템 자료 구조에 접근을 해서 Data Sharing 의 필요성을 배제하기 때문에 간단하다. 여기서 하나의 processor를 마스터 서버라고 부르는데, 이 마스터 서버는 병목 현상을 일으킬 수 있다.
+
+모든 요청이 마스터 서버를 거쳐야 하기 때문에, 마스터 서버에 부하가 집중되면 시스템 전체의 성능이 저하될 수 있다.
+
+**Symmetric Multiprocessing**
+
+일반정그로 Multi processor 스케줄링 지원 방법이다. 모든 CPU 코어가 동등한 권한을 가지고, 각 프로세서는 자신의 스케줄링을 할 수 있다.
+
+각 프로세스가 독립적으로 작업을 처리하기 때문에, 작업 부하가 코어들에 분산된다.
+
+# **Real-Time CPU Scheduling**
+
+일반적인 운영 체제와 달리, Real-Time 스케줄링은 특정 시간 내에 작업을 완료하는 것을 가장 중요하게 생각한다. **항공기 제어 시스템이나 의료 기기 등 정해진 시간 내에 반응해야 하는 시스템**에 사용된다.
+
+실시간 CPU Scheduling은 `Soft real-time system` 과 `Hard real-time system` 으로 구분된다.
+
+Soft real-time system은 중요한 실시간 프로세스가 스케줄 되는 시점에 어떤 보장도 하지 않는다. 오직 중요 프로세스가 그렇지 않은 프로세스들에 비해서 우선권을 가진다는 것만 보장한다.
+
+Hard real-time system은 훨씬 더 엄격한 요구 사항을 가진다. 작업은 반드시 정해진 마감 시간(dead line) 내에 완료 되어야 한다. 서비스가 마감 시간을 넘겨서 제공되는 것은 아예 서비스가 제공되지 않은 것과 같은것으로 간주한다.
+
+**Minimizing Latency (지연시간 최소화)**
+
+시스템은 일반적으로 real-time으로 발생하는 event를 기다리게 된다.
+
+여기서 말하는 event는 소프트웨어적 요인, 하드웨어적인 요인 두가지가 있다.
+
+이벤트가 발생하면, 시스템은 가능한 한 빨리 반응하고 처리해야 한다.
+
+`Event Latency`란 이벤트가 발생한 순간부터 시스템이 해당 이벤트를 처리하기 시작할 때까지 걸리는 시간을 의미한다.
+
+![Event Latency](https://github.com/LeeJungKyun/Computer-Science-Study/raw/main/operating-system/jungkyun/ConcurrencyControl/img/Event_Latency.png)
+
+Real-time System의 성능에 영향을 미치는 latency는 두가지가 있다.
+
+**Interrupt Latency**
+
+`Interrupt Latency` 는 CPU에 interrupt가 발생한 시점부터 해당 interrupt routine이 시작하기까지의 시간을 말한다.
+
+![alt text](https://github.com/LeeJungKyun/Computer-Science-Study/raw/main/operating-system/jungkyun/ConcurrencyControl/img/interruptLatency.png)
+
+**Dispatch Latency**
+
+`Dispatch Latency`는 스케줄링 dispatch가 하나의 프로세스를 블록시키고 다른 프로세스를 시작하게 하는데 걸리는 시간이다.
+
+![alt text](https://github.com/LeeJungKyun/Computer-Science-Study/raw/main/operating-system/jungkyun/ConcurrencyControl/img/dispatchLatency.png)
+
+**Priority-Based Scheduling**
+
+Real-time 운영체제에서 가장 중요한 기능은 real-time 프로세스가 CPU를 필요로 할 때, 바로 응답해주는 것이다.
+
+따라서, Real-time 운영체제의 스케줄러에서는 선점을 이용한 **우선순위 기반의 알고리즘**을 제공해야한다.
+
+**Rate-Monotonic Scheduling**
+
+Rate-Monotonic Scheduling 알고리즘은 선점 가능한 정적인 우선순위 정책을 이용해서 주기 task를 스케줄링 한다.
+
+낮은 우선순위 프로세스가 실행중에 있고, 높은 우선순위의 프로세스가 실행 준비가 되면, 높은 우선순위의 프로세스가 낮은 우선순위의 프로세스를 선점하게 된다.
+
+![alt text](https://github.com/LeeJungKyun/Computer-Science-Study/raw/main/operating-system/jungkyun/ConcurrencyControl/img/rateMonotonic.png)
+
+# **Process Synchronization(프로세스 동기화)**
+
+**개념**
+
+동시에 여러개의 프로세스가 동일한 data에 접근하여 변경하고, 그 실행 결과가 접근이 발생한 특정 순서에 의존하는 상황을 **`Race Condition`** 이라고 한다.
+
+이러한 상황을 방지하기 위해서 한 순간에 단 하나의 프로세스만이 데이터를 변경하도록 보장해야 하며, 따라서 어떤 형태로든 프로세스들이 동기화 되도록 할 필요가 있다.
+
+**Critical-Section Problem**
+
+n개의 프로세스가 있는 시스템에서 각 프로세스는 임계구역이라고 부르는 코드를 ㅗ함하고 있고, 그 안에서는 다른 프로세스와 공유하는 변수를 변경하는 등의 작업을 수행한다.
+
+이 시스템의 중요한 특징은 **한 프로세스가 자신의 임계 구역에서 수행하는 동안에는 다른 프로세스들은 그들의 임계 구역 안에서 실행할 수 없다** 라는 점이다.
+
+각 프로세스들은 자신의 임계 구역으로 진입하기 위해서 허가를 받아야하는데, 이러한 요청을 구현하는 코드를 **진입구역(EntryPoint)** 라고 하며, 임계 구역 뒤에는 **퇴출 구역(Exit Section)** 이 있을 수 있다.
+
+코드의 나머지 부분은 **나머지 구역(Remainder Section)** 이라고 한다.
+
+이러한 임계구역 문제를 해결하기 위해서는 아래 세가지 요구 조건을 충족시켜야 한다.
+
+1. 상호 배제(Mutual Exclusion)
+
+    프로세스 P가 자신의 임계구역에서 실행된다면, 다른 프로세스들은 그들 자신의 임계구역에서 실행될 수 없다.
+
+2. 진행(Progress)
+
+    자신의 임계구역에서 실행되는 프로세스가 없는 상황에서 그들 자신의 임계 구역으로 진입하려는 프로세스들이 있다면, 나머지 구역에서 실행 중이지 않은 프로세스들만 다음에 누가 해당 임계구역으로 진입할 수 있는지를 결정하는데 참여할 수 있으며, 이 선택은 무제한으로 연기 될 수 없다.
+
+3. 한정된 대기(Bounded Waiting)
+
+    프로세스가 자신의 임계구역에 진입하려는 요청을 한 후부터 그 요청이 허용될 때까지 다른 프로세스들이 그들 자신의 임계 구역에 진입하도록 허용되는 횟수에 한계가 있어야 한다.
+
+
+운영체제 내에서 임계 구역을 다루기 위해 `선점형 커널`과 `비선점형 커널` 의 두 가지 일반적인 접근법이 사용된다.
+
+**선점형 커널**은 프로세스가 커널 모드에서 수행되는 동안 선점되는 것을 허용한다.
+
+**비선점형 커널**은 커널 모드에서 수행되는 프로세스의 선점을 허용하지 않는다.
+
+**Peterson's Solution**
+
+고전적인 소프트웨어 기반해결책이다. 현대 컴퓨터 구조에서는 `load` 나 `store` 같은 기본적인 기계어를 수행하는 방식 때문에 항상 올바르게 작동한다고 보장할 수는 없다.
+
+시스템이 명령어 순서를 재정렬할 수 있기 때문에, 한 프로세스의 메모리 변경 사항이 다른 프로세스에게 즉시 반영되지 않을 수 있다.
+
+Peterson에서는 임계구역과 나머지 구역을 번갈아가며 실행하는 두 개의 프로세스로 한정된다.
+
+```
+int turn;
+boolean flag[2];
+
+while(true) {
+    flag[i] = true;
+    turn = j;
+    while(flag[j] && turn == j)
+        ;
+            /* critical section */
+
+       flag[i] = false;
+
+            /* remainder section */
+}
+```
+
+위의 코드에서 변수 `turn` 은 임계구역으로 진입할 순번을 나타낸다. `(turn == i)` 이면, 프로세스 P(i)가 임계 구역에서 실행될 수 있음을 나타낸다.
+
+`flag` 배열은 프로세스가 임계 구역으로 진입할 준비가 되었다는 것을 의미한다. `flag[i] == true` 이면, P(i)가 임계 구역으로 진입할 준비가 되었다는 것을 나타낸다.
+
+임계 구역으로 진입하기 위해서 P(i)는 flag[i] 를 true로 만들고 turn을 j로 지정한다.
+
+이렇게 함으로써, 프로세스 j가 임계 구역으로 진입하기를 원한다면 진입 가능하다는 것을 보장한다. `turn` 의 값이 궁극적으로 어떤 프로세스가 먼저 임계 구역으로 진입할 것인가를 결정한다.
+
+**동기화 하드웨어**
+
+Peterson은 현대의 컴퓨터 구조에서 올바르게 작동한다는 것을 보장하지 못한다고 했는데, 이를 해결하기 위해서 운영체제는 하드웨어의 지원을 받는다.
+
+**Memory Barrier**
+
+Memory Barrier는 시스템에서 후속으로 오는 `load`, `store` 연산이 실행되기 전에 현재 프로세스에서 진행되고 있는 저장 작업이 메모리에서 완료되도록 한다. 그래서 그 후의 `load`나 `store` 연산이 메모리에 반영된 최신 값을 읽거나 쓸 수 있도록 한다.
+
+한 프로세스의 메모리 변경 결과가 다른 프로세서들에게 모두 보이도록 하여 메모리를 동기화하는 것이다.
+
+**하드웨어 명령어**
+
+현대의 시스템들은 인터럽트되지 않고 원자적으로 연산을 해주는 특별한 하드웨어 명령어들을 제공해준다.
+
+C++의 `atomic` 헤더에서 제공되는 `atomic_flag_test_and_set` 같은 함수, `Swap` 등이 있다.
+
+**소프트웨어 도구들**
+
+**Mutex Lock**
+
+`Mutex` 는 Mutual Exclusion의 약자로, 상호 배제를 의미한다.
+
+프로세스가 임계 구역에 진입하고자 할 때 lock을 획득하고, 임계 구역을 떠날 때 lock을 반환한다.
+
+이 동작들은 원자적으로 수행되어야 한다.
+
+```
+acquire(){
+    while(available == FALSE);
+    available = FALSE
+}
+
+release() {
+    available = TRUE;
+}
+```
+
+다른 프로세스가 임계구역을 점유하고 있으면, 임계 구역에 들어가려고 하는 다른 프로세스들은 계속 `acquire`를 호출하면서 기다리는데, 이를 `busy waiting` 이라고 한다.
+
+이러한 `busy waiting` 을 하는 lock 유형들을 `스핀 락` 이라고도 한다. 이 방식은 다른 프로세스가 생산적으로 사용할 수 있는 연산 능력을 낭비할 가능성이 있다.
+
+그러나 프로세스가 임계 구역에 진입할 수 있게 되면 Context Switchin 없이 바로 임계 구역에 진입할 수 있다는 장점이 있다.
+
+따라서 잠깐동안 lock을 유지해야 하는 경우 스핀 락을 사용하는 경우가 많고, 멀티프로세서 시스템에서 자주 사용된다.
+
+**Semaphore**
+
+세마포어는 뮤텍스와 유사해보이지만 `busy waiting` 이 필요없는 도구이다.
+
+세마포어는 `wait` 과 `signal` 두개의 원자적 연산으로만 접근 가능한 정수 변수이다.
+
+```
+wait(S) {
+    while(S <= 0);
+    S--;
+}
+
+signal(S) {
+    S++;
+}
+```
+
+세마포어 종류
+
+**카운팅 세마포어(Counting Semaphore)** 는 세마포어가 가질 수 있는 값에 제한이 없다.
+
+이 세마포어는 임계 구역에 들어갈 수 있는 프로세스의 수를 제한하는 데 쓰일 수 있다.
+
+**이진 세마포어(Binary Semaphore)** 는 세마포어가 가질 수 있는 값이 0, 1 뿐이다.
+
+카운팅 세마포어보다 구현이 간단하며 `mutex lock` 과 유사하다.
+
+**Liveness Problem**
+
+Liveness는 프로세스가 무한정 기다리지 않고, 언젠가는 무언가를 하게 되는 것을 의미한다.
+
+# **Deadlock**
+
+2개 이상인 프로세스들이 대기 중이며 대기 중인 프로세스들 중 하나에 의해서만 발생할 수 있는 이벤트가 발생할 때 까지 무한정 기다리는 것이다.
+
+```
+P0
+wait(S);
+wait(Q);
+---
+signal(S);
+signal(Q);
+
+P1
+wait(Q);
+wait(S);
+---
+signal(Q);
+signal(S);
+
+```
+
+위의 코드와 같이 2개의 프로세스 `P0` 와 `P1`이 있고 1로 초기화된 세마포어 S,Q에 접근한다고 하자.
+
+P0가 `wait(S)`를 실행하고 P1이 `wait(Q)`를 실행한다. 각자 다음 `wait` 으로 넘어가기 위해서는 다른 프로세스에서 `signal`을 호출해줘야 하는데 이게 **`deadlock`** 이다.
+
+**발생조건**
+
+1. Mutual Exclusion
+
+    최소한 하나의 resource는 `nonsharable mode`로 점유되어야 한다.
+
+    nonsharable mode 에서는 한 번에 하나의 프로세스만이 해당 resource를 사용할 수 있다.
+
+2. Hold-And-Wait
+
+    프로세스는 최소한 하나의 resource를 점유한 채, 현재 다른 프로세스에 의해 점유된 resource를 추가로 얻기 위해 반드시 대기해야 한다.
+
+3. No Preemption
+
+    resource들을 선점할 수 없어야 한다. 즉, resource가 강제적으로 방출될 수 없고, 점유하고 있는 프로세스가 task를 종료한 후, 그 프로세스에 의해서만 resource가 자발적으로 방출될 수 있다.
+
+4. Circular Wait
+
+    대기하고 있는 프로세스의 집합에서는 순환적으로 resource를 대기해야 한다.
+
+
+이 발생조건들 중에 적어도 하나가 성립하지 않도록 해서 교착상태를 예방할 수 있다.
+
+**Deadlock Avoidance**
+
+**Safe State(안전상태)**
+
+시스템 상태가 안전하다라는 말은 시스템이 어떤 순서로든 프로세스들이 요청하는 resource를 Deadlock을 발생시키지 않고, 차례로 모두 할당해 줄 수 있다는 것을 의미한다.
+
+시스템이 안전 순서를 찾을 수 있다면 시스템은 안전하다고 말할 수 있다.
+
+시스템이 안전순서를 찾을 수 없다면 시스템은 불안전한 상태에 있다. Deadlock에 빠질수도있고, 아닐수도 있는 상태를 의미한다.
+
+**Resource-Allocation Graph Algorithm**
+
+자원할당 그래프에서 Cycle을 방지하여 Deadlock을 회피할 수 있다.
+
+`요청 간선`, `할당 간선` 과 함께 점선으로 `예약 간선`을 사용할 수 있다.
+
+그래프에서 Cycle이 존재하지 않는다면, resource를 할당해도 시스템은 안전 상태가 된다.
+
+Cycle이 발생하게 되면, 시스템은 불안정한 상태가 되므로 교착상태를 회피할 수 없게 된다.
+
+![alt text](https://github.com/LeeJungKyun/Computer-Science-Study/raw/main/operating-system/jungkyun/ConcurrencyControl/img/ResourceAllocation.png)
+
+**Banker's Algorithm**
+
+자원할당 알고리즘은 종류마다 자원이 여러개가 존재한다면 사용할 수 없다.
+
+은행원 알고리즘에서는 자원이 여러개씩 있더라도 사용할 수 있다.
+
+1. Available
+
+    각 종류별로 available한 resource의 개수를 나타내는 벡터이다.
+
+2. Max
+
+    각 프로세스가 최대로 필요로 하는 resource의 개수를 나타내는 행렬로, 크기가 `n X m` 이다.
+
+3. Allocation
+
+    각 프로세스에게 현재 나가있는 resource의 개수를 나타내는 행렬로, 크기가 `n X m` 이다.
+
+4. Need
+
+    각 프로세스가 이후 요청할 수 있는 resource의 개수를 나타내는 행렬로, 크기가 `n X m` 이다.
+
+
+**Deadlock Recovery**
+
+탐지 알고리즘을 통해 Deadlock이 존재한다고 판단되면, 운영자가 수작업으로 처리할 수도 있지만 자동으로 회복하게 할 수 도 있다.
+
+자동으로 회복하는 방법은 프로세스를 종료시키는 것과, 자원을 선점하는 것 두가지 종류가 있다.
+
+**Process Termination(프로세스 종료)**
+
+종료된 프로세스로부터 할당되었던 모든 자원을 회수하게 한다.
+
+1. Deadlock 프로세스를 모두 중지
+
+    확실하게 Deadlock의 Cycle을 깨뜨리지만, 관련된 모든 프로세스를 중지시키므로 비용이 커진다.
+
+2. Deadlock이 제거될 때까지 한 프로세스씩 중지
+
+    각 프로세스가 중지될때마다, 탐지 알고리즘을 통해 Deadlock의 존재여부를 확인해야하기때문에 큰 overhead가 발생한다.
+
+
+어떤 프로세스를 먼저 중지시켜야 하는가에는 프로세스의 우선순위, 수행된 시간과 종료하는 데까지 필요한 시간, 종료하기 위해 필요한 resource의 수, 사용한 resource type과 수 가 있을 수 있다.
+
+**Resource Preemption**
+
+자원 선점을 이용하여 Deadlock을 제거하려면, Deadlock이 깨질때까지 프로세스로부터 Resource를 계속적으로 선점해 이들을 다른 프로세스에게 주어야 한다.
+
+이때, 다음의 세 가지 사항을 고려해야한다.
+
+1. Selection of a victim
+
+    어느 Resource와 Process가 선점될 것인가?
+
+2. Rollback
+
+    프로세스로부터 자원을 선점하려면, 그 프로세스를 어떻게 처리해야 하는가?
+
+3. Starvation
+
+    Starvation이 발생하지 않는다는 것을 어떻게 보장해야 하는가?
+
+
+**Starvation**
+
+기아현상은 프로세스가 무한히 `block`되는 상태로, 영원히 세마포어의 대기 리스트에서 제거되지 못하는 것을 말한다.
+
+예를 들어 lock을 다시 획득 할 때 lock을 기다리고 있던 프로세스들 중에서 우선순위가 가장 높은 프로세스가 lock을 획득한다고 하자.
+
+그리고 lock의 대기 리스트에는 계속 새로운 프로세스가 추가되고 있다고 했을때, Lock의 대기 리스트에 있는 프로세스 중 우선순위가 낮은 프로세스는 무한에 가깝게 디라게 되는데 이걸 **`starvation`** 이라고 한다.
+
+# ⁉️ 예상 질문 모음
+
+> **✅ 기술 면접 답변틀**
+> 
+> 1. 기술의 정의 
+> 2. 어디에서 사용하는지
+> 3. 어떻게 사용할 수 있는지
+
+<aside>
+💡
+
+**병행성(Concurrency)이란?**
+
+**병행성 제어(Concurrency Control)란?**
+
+Deadlock에 대해 설명하고, 해결 방법에 대해 설명해주세요.
+
+뮤텍스와 세마포어에 대해 설명해주세요.
+
+동시성과 병렬성이 어떻게 다른지 설명해주세요.
+
+인터럽트에 대해 설명해주세요.
+
+</aside>