자바 동시성 프로그래밍 - Java Synchronization
교착 상태 (DeadLock)
DeadLock 이란 프로세스나 스레드들이 서로가 소유하고 있는 자원을 기다리며 무한히 대기하고 있는 상태를 말한다.
교착 상태에서는 아무런 진전도 이루어지지 않아 작업이 진행되지 않는 문제가 발생한다.
이것은 동일한 환경과 코드에서 발생할 수도 있고 발생하지 않을 수도 있다.
대표적인 DeadLock 예시로 "식사하는 철학자"가 있다.
데드락 발생 조건
데드락은 다음 네 가지 필요 조건을 동시에 만족할 때 발생한다.
한 가지라도 만족하지 않으면 데드락이 발생하지 않는다.
1. 상호 배제 (Mutual Exclusion)
자원은 한 번에 하나의 스레드만 사용할 수 있다.
철학자는 한 번에 하나의 젓가락을 사용할 수 있으므로 상호 배제를 구현하여 젓가락을 동시에 두 명 이상의 철학자가 사용하지 못하도록 한다.
2. 점유 대기 (Hold and Wait)
스레드가 최소한 하나의 자원을 보유한 상태에서 다른 자원을 기다리고 있다.
철학자들은 젓가락을 기다리는 상태에서 무한히 대기할 수 있으며, 다른 철학자가 젓가락을 반납하기를 기다릴 수 있다.
3. 비선점 (No Preemption)
자원을 할당 받은 스레드가 자원을 스스로 반납하기 전까지 자원을 강제로 빼앗을 수 없다.
철학자들은 젓가락을 사용하는 동안 다른 철학자에 의해 젓가락이 강제로 반납 될 수 없으며, 젓가락은 해당 철학자에 의해 반납될 때까지 보유된다.
4. 순환 대기 (Circular Wait)
각 스레드는 순환적으로 다음 스레드가 요구하는 자원을 가지고 있어 사이클이 형성된다.
각 철학자는 서로 다른 두 개의 젓가락을 사용해야 하므로 순환적으로 다음 철학자가 요구하는 젓가락을 가지고 있을 수 있어 사이클이 형성된다.
데드락 예
1. 락 순서에 의한 데드락
프로그램이 종료되지 않고 무한 대기에 빠지게 된다.
2. 동적인 락 순서에 의한 데드락
프로그램이 종료되지 않고 무한 대기에 빠지게 된다.
3. 객체 간의 데드락
프로그램이 종료되지 않고 무한 대기에 빠지게 된다.
데드락 방지와 원인 추적
데드락 방지는 데드락 발생 조건 네 가지 중에서 최소한 1가지를 방지함으로서 네 가지를 모두 만족하지 않게 하는 기법이다.
일단 데드락이 발생하면 애플리케이션 단에서 데드락을 해소하는 것은 어렵고 서버를 재기동하거나 종료하는 것 밖에 현실적으로 다른 해결책은 없다.
1. 한번에 하나 이상의 락을 사용하지 않는다.
데드락은 스레드가 락을 중첩으로 제어하면서 발생하는 경우가 많기 때문에 가능한 한 스레드가 두 개 이상의 락을 제어하는 상황을 만들지 않도록 하는 것이 좋다.
2. 락의 순서를 잘 조정한다.
불가피하게 여러 개의 락을 사용해야 한다면 락의 점유 순서를 일정한 순서로 정해주도록 함으로서 데드락이 발생할 수 있는 조건 중 하나의 순환 대기를 방지하도록 한다.
3. 락 타임아웃을 건다.
락을 요청할 때 일정 시간 이내에 락을 얻지 못하면 다른 작업을 수행하도록 타임아웃을 설정한다.
락 획득에 타임아웃 오류가 나면 오래 기다리지 않고 제어권이 다시 돌아오기 때문에 현재 소유한 락을 해제하고 잠시 기다리다가 데드락 상황이 지나가면 다시 정상으로 동작할 수 있다.
4. 메서드는 오픈 호출 형태로 구현한다.
락을 전혀 확보하지 않은 상태에서 메서드를 호출하는 것을 오픈 호출 이라고 하며, 락을 전체 메서드에 적용하지 않고 락이 필요한 임계 영역만 보호하도록 한다.
여러 개의 락을 호출하더라도 동시에 락을 점유하는 것이 아닌 순차적으로 락을 획득하고 해제하는 방식으로 메서드를 호출하도록 한다.
5. 스레드 덤프를 활용한다.
스레드 덤프에는 실행 중인 스레드의 모든 스택 트레이스가 담겨져 있고 락과 관련된 정보도 포함되어 있기 때문에 이를 활용해서 어디에서, 어떤 스레드가, 어느 시점에, 왜 데드락이 발생했는지 원인을 추적 및 분석하고 해결 방안을 모색할 수 있다.
그 외 활동성 문제
1. 기아 상태 (Starvation)
멀티 스레드 환경에서 한 스레드가 자원을 계속해서 얻지 못하여 영원히 대기하는 상태를 말한다.
다른 스레드들이 우선적으로 자원을 점유하거나 실행되어 해당 스레드가 자원을 얻지 못하게 되면 기아 상태가 발생한다.
기아 상태를 해결하기 위해서는 우선순위를 기반으로 한 스케줄링이 아니라 공정성을 고려하여 모든 스레드가 공평하게 실행될 수 있도록 우선순위를 조정하는 등의 설계가 뒷받침 되어야 한다.
2. 라이브락 (Livelock)
데드락과 비슷한 상태로, 여러 스레드가 서로의 자원을 기다리면서 진행이 지연되는 상태를 말한다.
라이브락은 데드락과는 다르게 작업이 멈추지 않고 계속해서 진행되지만, 실질적인 작업이 진행되지 않거나 진행이 제대로 이루어지지 않는 상태를 의미한다.
라이브락 상태에서는 스레드가 서로의 자원을 기다리기 때문에 작업이 충분히 느려질 수 있으며, 서로가 양보하는 동작이 반복되면서 진행이 지연되는 상태가 발생한다.
서로 양보하기만 하고 프로그램은 종료되지 않는다.
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