운영체제(OS, Operating System)에서 관리하는 프로세스는, 자원 분배가 비효율적으로 이루어지면 교착상태(Deadlock)가 발생할 수 있습니다. 교착상태는 시스템의 성능과 안정성을 크게 저하시킬 수 있으므로 이를 방지하기 위한 다양한 방법이 필요합니다. 그중 하나가 바로 은행원 알고리즘(Banker's Algorithm)입니다. 이번 글에서는 은행원 알고리즘의 기본 개념과 작동 원리, 그리고 예제를 통해 이를 쉽게 이해할 수 있도록 설명하겠습니다.
1. 은행원 알고리즘이란?
은행원 알고리즘은 교착상태를 회피하기 위한 자원 할당 기법 중 하나입니다. 이 알고리즘은 프로세스가 자원을 요청할 때, 해당 요청을 승인하면 시스템이 여전히 안정 상태(Safe State)를 유지하는지 확인합니다. 안정 상태란 모든 프로세스가 필요한 자원을 결국 할당받아 작업을 완료할 수 있는 상태를 의미합니다.
* 은행원 알고리즘은 은행이 고객에게 대출을 승인하기 전에 대출 금액과 잔여 자산을 평가하여 자신이 파산하지 않을지를 검토하는 방식에서 유래되었습니다.
2. 은행원 알고리즘의 작동 원리
은행원 알고리즘은 다음과 같은 원리를 바탕으로 작동합니다.
(1) 주요 데이터 구조
- 총 자원(Available): 현재 시스템에서 사용 가능한 자원의 개수를 나타냅니다.
- 최대 요구(Max): 각 프로세스가 작업을 완료하는 데 필요한 자원의 최대치를 나타냅니다.
- 할당(Allocation): 각 프로세스에 현재 할당된 자원의 개수를 나타냅니다.
- 잔여 요구(Need): 각 프로세스가 작업을 완료하기 위해 추가로 필요한 자원의 개수를 나타냅니다. (Need = Max - Allocation)
(2) 요청 처리 절차
- 요청 검증: 프로세스가 요청한 자원 수가 Need를 초과하는지 확인합니다. 초과하면 요청을 거절합니다.
- 가상 할당: 요청한 자원을 할당한 후, 시스템이 안정 상태에 있는지 시뮬레이션합니다.
- 안정 상태 확인: 안정 상태라면 요청을 승인하고, 불안정 상태라면 요청을 거절합니다.
(3) 안전성 검사
안전성 검사는 시스템이 안정 상태에 있는지를 판단하기 위한 단계입니다:
- 가상의 자원 할당 후, 모든 프로세스가 작업을 완료할 수 있는 순서를 찾습니다. 이를 안전 순서(Safe Sequence)라고 합니다.
- 만약 안전 순서를 찾을 수 있으면 안정 상태, 그렇지 않으면 불안정 상태입니다.
3. 은행원 알고리즘 예제
다음은 은행원 알고리즘이 작동하는 과정을 보여주는 간단한 예제입니다.
초기 조건
- 총 자원: Available = [3, 3, 2]
- 각 프로세스의 자원 정보
| 프로세스 | Max | Allocation | Need |
| P0 | [7, 5, 3] | [0, 1, 0] | [7, 4, 3] |
| P1 | [3, 2, 2] | [2, 0, 0] | [1, 2, 2] |
| P2 | [9, 0, 2] | [3, 0, 2] | [6, 0, 0] |
| P3 | [2, 2, 2] | [2, 1, 1] | [0, 1, 1] |
| P4 | [4, 3, 3] | [0, 0, 2] | [4, 3, 1] |
요청 예제
- 프로세스 P1이 [1, 0, 2]만큼 자원을 요청했다고 가정합니다.
1단계: 요청 검증
- 요청한 자원 [1, 0, 2]는 P1의 Need [1, 2, 2]를 초과하지 않습니다.
- 또한, 요청한 자원이 Available [3, 3, 2]보다 작거나 같습니다. 따라서 요청을 검토할 수 있습니다.
2단계: 가상 할당
- Available = [3, 3, 2] - [1, 0, 2] = [2, 3, 0]
- Allocation(P1) = [2, 0, 0] + [1, 0, 2] = [3, 0, 2]
- Need(P1) = [1, 2, 2] - [1, 0, 2] = [0, 2, 0]
3단계: 안정 상태 확인
가상 할당 후 안전 순서를 찾습니다.
- P3는 Need ≤ Available이므로 작업을 완료하고 자원을 반환합니다.
- Available = [2, 3, 0] + [2, 1, 1] = [4, 4, 1]
- P1도 작업을 완료합니다.
- Available = [4, 4, 1] + [3, 0, 2] = [7, 4, 3]
- P0, P2, P4 순으로 모든 작업을 완료할 수 있습니다.
안전 순서가 존재하므로 요청을 승인합니다.
4. 은행원 알고리즘의 장단점
장점
- 교착상태를 사전에 예방할 수 있습니다.
- 자원의 상태를 지속적으로 추적하여 안정성을 유지합니다.
단점
- 모든 프로세스의 자원 요구를 사전에 알아야 합니다.
- 계산량이 많아 시스템의 성능에 부담을 줄 수 있습니다.
- 자원 요청이 동적으로 변화하는 환경에서는 적용이 어려울 수 있습니다.
5. 결론
은행원 알고리즘은 교착상태를 사전에 예방할 수 있는 강력한 도구로, 운영체제와 자원 관리 분야에서 중요한 역할을 합니다. 하지만 자원의 요구를 사전에 예측해야 한다는 제약이 있으며, 실시간 시스템에는 적합하지 않을 수 있습니다.
이 알고리즘을 통해 자원을 효율적으로 관리하고 시스템의 안정성을 보장하는 방법을 이해하면, 더 나은 시스템 설계와 문제 해결에 큰 도움이 될 것입니다.