기아 상태
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1. 개요
기아 상태는 스케줄링 알고리즘의 문제로 인해 프로세스 또는 스레드가 자원을 할당받지 못하여 실행이 지연되거나 영구적으로 실행되지 못하는 상태를 의미한다. 이는 우선순위가 낮은 프로세스가 높은 우선순위 프로세스에 의해 자원을 할당받지 못하거나, 스케줄링 알고리즘의 설계 결함으로 인해 특정 프로세스가 CPU 시간을 독점하는 경우에 발생한다. 기아 상태는 교착 상태와 유사하게 자원 부족 문제를 야기하지만, 교착 상태와 달리 프로세스가 다른 프로세스에 의해 지속적으로 제공되는 자원을 기다리는 상황을 포함한다. 해결 방법으로는 에이징 기술을 활용하여 우선순위를 점진적으로 높이거나, 라운드 로빈 스케줄링과 같은 공정한 스케줄링 알고리즘을 사용하는 방법 등이 있다.
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세마포어는 데이크스트라가 고안한 정수 변수로, P/V 연산을 통해 자원 접근을 제어하고 동기화 문제를 해결하며, 계수 세마포어와 이진 세마포어로 나뉘어 멀티스레드 환경에서 자원 관리 및 스레드 동기화에 기여한다. - 병행성 - 동기화 (컴퓨터 과학)
동기화는 컴퓨터 과학에서 다중 프로세스 또는 스레드가 공유 자원에 접근할 때 발생하는 문제를 해결하기 위한 기술이며, 경쟁 조건 방지 및 데이터 일관성 유지를 위해 세마포어, 뮤텍스 등의 메커니즘을 통해 구현된다.
| 기아 상태 | |
|---|---|
| 컴퓨터 과학에서의 자원 기아 | |
| 정의 | 컴퓨터 과학에서 자원 기아(Resource Starvation)는 프로세스에게 필요한 자원이 지속적으로 할당되지 않아 진행이 불가능한 상태를 의미함. |
| 발생 원인 | 자원 관리에서의 결함 잘못된 알고리즘 설계 경쟁 조건 서비스 거부 공격 (DoS 공격) |
| 해결 방법 | 자원 할당 정책 개선 (예: 공정성 보장) 우선 순위 조정 자원 예약 데드락 회피 알고리즘 적용 |
| 관련 개념 | |
| 데드락 (Deadlock) | 두 개 이상의 프로세스가 서로 상대방이 점유한 자원을 기다리면서 무한정 대기하는 상태 |
| 경쟁 조건 (Race Condition) | 여러 프로세스가 공유 자원에 동시에 접근하려 할 때, 접근 순서에 따라 결과가 달라지는 현상 |
| 우선 순위 역전 (Priority Inversion) | 낮은 우선 순위의 프로세스가 높은 우선 순위의 프로세스의 실행을 지연시키는 현상 |
| 기아 상태의 일반적인 예시 | |
| 예시 1 | 프로세스 A, B, C가 있고, A의 우선순위가 매우 높으면 B와 C는 CPU 시간을 할당받지 못해 기아 상태에 빠질 수 있음. |
| 예시 2 | 공유 리소스를 사용하는 다수의 쓰레드 환경에서 특정 쓰레드가 항상 리소스 접근에 실패하여 작업을 완료하지 못하는 경우. |
| 기타 | |
| 참고 | Michel Raynal의 Concurrent Programming: Algorithms, Principles, and Foundations Andrew S. Tanenbaum의 Modern Operating Systems Maurice Herlihy and Nir Shavit의 The Art of Multiprocessor Programming |
2. 스케줄링과 기아 상태
스케줄링 알고리즘은 운영체제가 프로세스 또는 스레드에게 자원을 할당하는 방식을 결정하는 중요한 과정이다. 기아 상태는 주로 스케줄링 알고리즘의 문제로 인해 발생한다.[4]
기아 상태는 일반적으로 프로세스를 정지시키는 교착 상태에 의해 발생하기도 한다. 교착 상태는 두 개 이상의 프로세스가 동일한 집합의 다른 프로그램이 점유한 자원을 기다리는 동안 아무것도 하지 않을 때 발생한다. 반면에, 프로세스가 다른 프로세스에 지속적으로 부여되는 자원을 기다리고 있을 때 기아 상태에 놓이게 된다. 기아 상태 방지는 교착 상태 방지보다 더 강력한 보장이다. 예를 들어 두 개의 프로세스 중 하나를 임계 구역에 허용하도록 선택해야 하고 하나를 임의로 선택하는 상호 배제 알고리즘은 교착 상태는 없지만 기아 상태는 발생할 수 있다.[4]
기아 상태에 대한 가능한 해결책은 에이징 기술을 사용하는 우선 순위 큐가 있는 스케줄링 알고리즘을 사용하는 것이다. 에이징은 시스템에서 오랫동안 기다리는 프로세스의 우선 순위를 점진적으로 높이는 기술이다.[4]
2. 1. 스케줄링 알고리즘의 문제점
기아 상태는 지나치게 단순한 스케줄링 알고리즘 때문에 주로 발생한다. 예를 들어, 잘못 설계된 멀티태스킹 시스템에서 항상 처음 두 작업만 번갈아 실행하고 세 번째 작업은 실행하지 않으면, 세 번째 작업은 CPU 시간을 얻지 못해 기아 상태가 된다. 커널의 스케줄링 알고리즘은 자원을 공정하게 할당하여 어떤 프로세스도 필요한 자원을 영구적으로 부족하지 않도록 해야 한다.많은 운영 체제 스케줄러는 프로세스 우선 순위 개념을 사용한다. 우선 순위가 높은 프로세스가 낮은 우선 순위 프로세스보다 먼저 실행된다. 만약 높은 우선 순위 프로세스가 블록되어 양보하지 않으면, 낮은 우선 순위 프로세스는 영원히 스케줄링되지 못하고 기아 상태를 겪을 수 있다. 심지어 더 높은 우선 순위 프로세스가 낮은 우선 순위 프로세스의 결과에 의존하는 경우, 시스템에서 가장 중요한 프로세스임에도 완료되지 못하는 우선 순위 역전 현상이 발생할 수 있다.
최신 스케줄링 알고리즘은 일반적으로 모든 프로세스가 최소한의 자원(주로 CPU 시간)을 받도록 보장하여 기아 상태를 방지한다.
컴퓨터 네트워크, 특히 무선 네트워크에서도 스케줄링 알고리즘이 기아 상태를 겪을 수 있다. 예를 들어 최대 처리량 스케줄링이 있다.
기아 상태는 교착 상태 때문에 발생하기도 한다. 교착 상태는 여러 프로세스가 서로 다른 프로세스가 점유한 자원을 기다리며 아무것도 하지 않는 상태이다. 반면 기아 상태는 한 프로세스가 다른 프로세스에게 지속적으로 양보되는 자원을 기다리는 상태이다. 기아 상태 방지는 교착 상태 방지보다 더 강력한 보장이다.
기아 상태의 해결책 중 하나는 에이징 기술을 사용하는 우선 순위 큐 기반 스케줄링 알고리즘이다. 에이징은 오랫동안 기다린 프로세스의 우선 순위를 점진적으로 높이는 기술이다.[4]
2. 2. 우선순위 역전
우선순위 역전은 높은 우선순위의 프로세스 X가 낮은 우선순위의 프로세스 B의 결과에 의존하는 상황에서 발생한다. 이때 프로세스 B가 자원을 점유하고 양보하지 않으면, 프로세스 X는 시스템에서 가장 중요한 프로세스임에도 불구하고 완료되지 않을 수 있다. 이러한 현상은 시스템의 반응성을 저하시키고, 심각한 경우 전체 시스템 마비로 이어질 수 있다.[4]최신 스케줄링 알고리즘은 일반적으로 이러한 문제를 방지하기 위해 모든 프로세스가 최소한의 자원을 받도록 보장하는 코드를 포함한다. 예를 들어, 우선순위 상속과 같은 기법을 적용하여 시스템 안정성을 확보할 수 있다.[7]
2. 3. 무선 네트워크에서의 기아 상태
무선 네트워크 환경에서는 스케줄링 알고리즘이 특정 노드에 불리하게 작용하여, 해당 노드가 네트워크 자원을 제대로 활용하지 못하는 기아 상태가 발생할 수 있다. 최대 처리량 스케줄링과 같은 일부 알고리즘은 이러한 문제를 야기할 수 있다.[4]3. 기아 상태와 교착 상태
기아 상태는 주로 지나치게 단순한 스케줄링 알고리즘 때문에 발생한다. 예를 들어, (낮은 품질로 설계된) 멀티태스킹 시스템에서 처음 두 태스크만 계속 번갈아 실행되고 세 번째 태스크는 실행되지 않으면, 세 번째 태스크는 CPU 시간을 얻지 못해 기아 상태가 된다. 커널의 스케줄링 알고리즘은 자원을 공정하게 할당하여 어떤 프로세스도 필요한 자원이 영구적으로 부족하지 않도록 설계되어야 한다.
많은 운영 체제 스케줄러는 프로세스 우선 순위 개념을 사용한다. 우선 순위가 높은 프로세스가 블록되어 양보하지 않으면, 낮은 우선 순위의 프로세스는 영원히 실행되지 못하고 기아 상태를 겪을 수 있다. 심지어 시스템에서 가장 중요한 프로세스조차 완료되지 못하는 우선 순위 역전 현상이 발생할 수도 있다. 최신 스케줄링 알고리즘은 일반적으로 모든 프로세스가 최소한의 자원을 받도록 보장하는 코드를 포함하여 기아 상태를 방지한다.
컴퓨터 네트워크, 특히 무선 네트워크에서도 스케줄링 알고리즘이 기아 상태를 유발할 수 있는데, 최대 처리량 스케줄링이 그 예이다.
기아 상태의 가능한 해결책은 에이징 기술을 사용하는 우선 순위 큐 기반 스케줄링 알고리즘이다. 에이징은 오랫동안 대기하는 프로세스의 우선 순위를 점진적으로 높여 기아 상태를 해결하는 기술이다.[4]
3. 1. 교착 상태와의 차이점
교착 상태는 둘 이상의 프로세스가 서로가 가진 자원을 기다리면서 무한정 대기하는 상태이다. 반면, 기아 상태는 프로세스가 실행 가능한 상태임에도 불구하고, 스케줄링 알고리즘이나 자원 부족으로 인해 계속해서 실행 기회를 얻지 못하는 상태이다. 기아 상태 방지는 교착 상태 방지보다 더 강력한 보장이다. 두 프로세스 중 하나를 임계 구역에 허용하도록 선택해야 하고 하나를 임의로 선택하는 상호 배제 알고리즘은 교착 상태는 없지만 기아 상태는 아니다.[4]4. 기아 상태 해결 방법
기아 상태는 주로 지나치게 단순한 스케줄링 알고리즘 때문에 발생한다. 예를 들어, (잘못 설계된) 멀티태스킹 시스템에서 처음 두 작업만 계속 실행되고 세 번째 작업은 실행되지 않으면, 세 번째 작업은 CPU 시간을 얻지 못하는 기아 상태가 된다. 커널의 스케줄링 알고리즘은 자원을 공정하게 할당하여, 어떤 프로세스도 필요한 자원을 영구적으로 부족하지 않도록 설계되어야 한다.
많은 운영 체제 스케줄러는 프로세스 우선 순위 개념을 사용한다. 우선 순위가 높은 프로세스가 블록되어 양보하지 않으면, 우선 순위가 낮은 프로세스는 스케줄링되지 않아 기아 상태를 겪을 수 있다. 만약 더 높은 우선 순위의 프로세스가 낮은 우선 순위 프로세스의 결과에 의존하는 경우, 시스템에서 가장 중요한 프로세스임에도 완료되지 않을 수 있는데, 이를 우선 순위 역전이라고 한다. 최신 스케줄링 알고리즘은 일반적으로 모든 프로세스가 최소한의 자원을 받도록 보장하는 코드를 포함한다.
컴퓨터 네트워크, 특히 무선 네트워크에서도 스케줄링 알고리즘이 기아 상태를 겪을 수 있다. 최대 처리량 스케줄링이 그 예이다.
기아 상태는 교착 상태 때문에 발생하기도 한다. 교착 상태는 여러 프로세스가 서로 다른 프로그램이 점유한 자원을 기다리면서 아무것도 하지 않을 때 발생한다. 반면, 기아 상태는 프로세스가 다른 프로세스에게 지속적으로 제공되는 자원을 기다릴 때 발생한다. 기아 상태 방지는 교착 상태 방지보다 더 강력한 보장이다.
기아 상태의 해결책으로는 에이징 기술을 활용한 우선 순위 큐 기반 스케줄링 알고리즘을 사용할 수 있다.[4]
4. 1. 에이징 (Aging)
에이징은 시스템에서 오랫동안 기다리는 프로세스의 우선 순위를 점진적으로 높이는 기술이다.[4] 에이징을 통해 우선순위가 높아진 프로세스는 결국 실행 기회를 얻게 된다. 이는 우선 순위 역전 기반 스케줄링에서 발생할 수 있는 기아 상태를 완화하는 데 효과적이다.4. 2. 라운드 로빈 스케줄링
라운드 로빈 스케줄링은 각 프로세스에 동일한 시간 할당량(time slice)을 부여하여 순차적으로 실행하는 방식이다. 이는 특정 프로세스가 자원을 독점하는 것을 방지하고, 모든 프로세스에게 공평한 실행 기회를 제공한다.4. 3. 기타 해결 방법
기아 상태의 해결책으로 에이징 기술을 활용한 우선 순위 큐 기반 스케줄링 알고리즘이 있다.[4] 에이징은 시스템에서 오랫동안 대기하는 프로세스의 우선 순위를 점진적으로 높이는 기술이다.[4]참조
[1]
서적
Modern Operating Systems
https://archive.org/[...]
Prentice Hall
[2]
서적
The Art of Multiprocessor Programming
Elsevier
[3]
서적
Concurrent Programming: Algorithms, Principles, and Foundations
Springer Science & Business Media
[4]
서적
Operating System Concepts
Wiley India Edition
[5]
서적
The Art of Multiprocessor Programming
Elsevier
[6]
서적
Concurrent Programming: Algorithms, Principles, and Foundations
Springer Science & Business Media
[7]
서적
Operating System Concepts
Wiley India Edition
[8]
서적
The Art of Multiprocessor Programming
Elsevier
[9]
서적
Concurrent Programming: Algorithms, Principles, and Foundations
Springer Science & Business Media
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