📚 교착 상태 (deadlock)
'자바' 코드를 기반으로 설명됩니다.
✅ 도입
📌 멀티 프로세스 & 멀티 쓰레드
- 교착 상태는, 멀티 프로세스와 멀티 쓰레드 환경에서 공유 자원에 접근할 때 발생할 수 있는 문제 입니다.
- 프로세스와 쓰레드
- 프로세스, 쓰레드 공유자원 동기화
- 프로세스와 쓰레드, 공유자원 등에 대한 개념이 부족하다면, 해당 포스팅을 참조해도 좋습니다.
✅ 정의
📌 교착상태 란?
- 프로세스를 실행하기 위해서는, 자원이 필요 하다.
- 그런데, 만약
A 프로세스가동작하기 위해서,a1리소스를 점유중인 상태에서b1라는 자원이 필요하고,B 프로세스는 동작하기 위해서b1리소스를 점유중인 상태에서a1이라는 자원이 필요하다고 하면 어떨까?
작업A는 자신의 작업을 마치기 위해, 자원b1이 필요하고,작업B는 마찬가지로a1이 필요한 상태입니다.- 서로가 서로의 작업을 마치기 위해 한쪽이 먼저 작업을 포기해야 하는 상황에 빠지게 됩니다.
- 이러한 상황을 교착 상태 (dead lock) 이라고 표현합니다.
📌 정의
- 일어나지 않을 사건을 기다리며 프로세스의 진행이 멈춰버리는 현상
📌 발생 조건
- 교착상태가 일어나기 위해서는 4가지 필요 조건이 있습니다.
- 4가지가 모두 만족한다면, 교착 상태(deadlock)이 발생하게 될 가능성이 생기게 됩니다.
상호 배제
- 교착 상태가 일어나는 근본적인 원인은, 하나의 프로세스만 해당 자원을 이용 가능했기 때문입니다.
- 동기화 전략 등에서 소개되는 다양한 lock 기법 등을 활용하여 동기화 제어를 한다면, 하나의 프로세스만 접근 가능하도록 통제하기 때문에 이러한 문제가 발생할 수 있습니다.
점유와 대기
- 한 프로세스가 어떤 자원을 할당 받은 상태에서 다른 자원을 할당받기를 기다린다면 교착 상태가 발생할 수 있습니다.
- 위의
작업A, 작업B예제가 딱 그 상태 입니다.작업A는 작업을 완료하기 위해,a1및b1리소스를 할당 받기 위해 대기하는 상황이 발생합니다.
비선점
- 비선점이란, 자원을 이용하는 프로세스의 작업이 끝나야만 비로소 자원을 이용할 수 있다는 것을 의미합니다.
- 위 예제
작업A가 원하는b1리소스는,작업B가b1리소스를 반납해줘야만 가능하지만, 그렇지 않게 설계되어 있습니다.- 즉, 어떤 프로세스도 다른 프로세스의 자원을 강제로 빼앗지 못하는 경우 (비선점), 교착 상태가 발생할 수 있습니다.
원형 대기
- 프로세스와 프로세스가 요청한 자원이 원의 형태를 이루는 경우입니다.
- 각각의 프로세스가 서로 점유한 자원을 할당받기 위해 원의 형태로 대기할 경우, 교착 상태가 발생할 수 있습니다.
- 일상적인 예시로, 중고거래를 위해 만난 사람끼리 "먼저 물건을 주세요", "먼저 돈을 입금해주세요" 하고, 무한히 반복하며 거래가 되지 않는 상태라고 말할 수 있습니다.
📌 Java 코드
- 해결 방법을 알아보기에 앞서, 간단하게 deadlock 이 발생하는 예제 코드를 만들어 보겠습니다.
public class DeadlockExample {
private final Object lockA = new Object();
private final Object lockB = new Object();
public void threadA() {
synchronized (lockA) {
System.out.println("ThreadA: lockA 점유");
try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
synchronized (lockB) {
System.out.println("ThreadA: lockB 점유");
}
}
}
public void threadB() {
synchronized (lockB) {
System.out.println("ThreadB: lockB 점유");
try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
synchronized (lockA) {
System.out.println("ThreadB: lockA 점유");
}
}
}
public static void main(String[] args) {
DeadlockExample example = new DeadlockExample();
new Thread(example::threadA).start();
new Thread(example::threadB).start();
}
}threadA와threadB는 각각 하나의 자원을 가지고, 0.1초 뒤, 반대측에서 점유중인 lock에 대해 접근을 하는 코드 입니다.- 위에 소개된 4가지의 필수 조건이 모두 포함된 완벽한(?) 코드 입니다.
ThreadA: lockA 점유
ThreadB: lockB 점유
... 다음 응답이 없음 ...📌 해결 방법
- 해결방법은 간단하고 정말 다양합니다.
- 크게 3가지 방법으로 나눠 해결 및 회피 할 수 있습니다.
📌 교착 상태 예방
교착 상태 예방은 위의 소개된 4가지 필요 조건 중 하나라도, 깨트려 deadlock 이 절때 발생하지 않도록 만드는 방법입니다.- 너무나 다양하고 방법들이 많기 때문에, 이러한 관점으로도 회피가 가능하다 라는 걸 아래의 예시를 통해 참고만 하시면 좋습니다.
상호 배제 제거
- 예를 들면, 일반 Lock 을
세마포등으로 변경해, 여러 쓰레드에서 동시에 접근이 가능하도록 만들 수도 있습니다.Java에서는, 읽기 작업에 대해서 동시에 여러 스레드가 접근 가능하도록 하는ReentrantReadWriteLock이라는걸 제공해줍니다.- 다음과 같이 코드를 변경한다면, deadlock은 해결됩니다.
public class NoDeadlockReadExample {
private final ReentrantReadWriteLock lockA = new ReentrantReadWriteLock();
private final ReentrantReadWriteLock lockB = new ReentrantReadWriteLock();
public void threadA() {
lockA.readLock().lock();
try {
System.out.println("ThreadA: lockA 읽기 접근");
try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
lockB.readLock().lock();
try {
System.out.println("ThreadA: lockB 읽기 접근");
} finally {
lockB.readLock().unlock();
}
} finally {
lockA.readLock().unlock();
}
}
public void threadB() {
lockB.readLock().lock();
try {
System.out.println("ThreadB: lockB 읽기 접근");
try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
lockA.readLock().lock();
try {
System.out.println("ThreadB: lockA 읽기 접근");
} finally {
lockA.readLock().unlock();
}
} finally {
lockB.readLock().unlock();
}
}
public static void main(String[] args) {
NoDeadlockReadExample example = new NoDeadlockReadExample();
new Thread(example::threadA).start();
new Thread(example::threadB).start();
}
}ThreadA: lockA 읽기 접근
ThreadB: lockB 읽기 접근
ThreadB: lockA 읽기 접근
ThreadA: lockB 읽기 접근
Process finished with exit code 0점유와 대기 깨기
- 점유와 대기 조건을 깨트려, deadlock 을 회피할 수도 있습니다.
threadA와threadB가 필요한 자원 2가지를 모두 먼저 점유해버리는 방법으로 처리하여 회피할 수도 있습니다.
public class NoHoldAndWaitExample {
private final Lock lockA = new ReentrantLock();
private final Lock lockB = new ReentrantLock();
public void threadA() {
while (true) {
boolean gotLockA = lockA.tryLock();
boolean gotLockB = lockB.tryLock();
if (gotLockA && gotLockB) {
try {
System.out.println("ThreadA: lockA, lockB 점유");
break; // 작업 후 종료
} finally {
lockB.unlock();
lockA.unlock();
}
}
// 하나라도 못 잡으면 전부 반환하고 재시도
if (gotLockA) lockA.unlock();
if (gotLockB) lockB.unlock();
try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) {}
}
}
public void threadB() {
while (true) {
boolean gotLockA = lockA.tryLock();
boolean gotLockB = lockB.tryLock();
if (gotLockA && gotLockB) {
try {
System.out.println("ThreadB: lockA, lockB 점유");
break; // 작업 후 종료
} finally {
lockB.unlock();
lockA.unlock();
}
}
// 하나라도 못 잡으면 전부 반환하고 재시도
if (gotLockA) lockA.unlock();
if (gotLockB) lockB.unlock();
try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) {}
}
}
public static void main(String[] args) {
NoHoldAndWaitExample example = new NoHoldAndWaitExample();
new Thread(example::threadA).start();
new Thread(example::threadB).start();
}
}ThreadA: lockA, lockB 점유
ThreadB: lockA, lockB 점유
Process finished with exit code 0- 이와 같이 해결하는 방법은 정말 다양하고, 위의 소개된 해결 방법이 현재 구조상 어울리지 않아 해결 방법이 되지 않을 수가 있습니다.
📌 교착 상태 회피
- 교착 상태 회피는, 교착 상태가 발생하지 않을 정도로만 조심하면서 자원을 할당하는 방법입니다.
- 여기서 교착 상태가 발생하는 원인을, 한정된 자원의 무분별한 할당으로 발생하는 문제라고 판단하고 이를 해결하기 위한 아이디어가 핵심입니다.
- 대표적인 예시로,
은행가 알고리즘이 대표적입니다.
은행가 알고리즘 살짝
- 자원을 할당할 때 마다,
모든 프로세스가 결국 자원을 얻고 정상 종료를 할 수 있는 안전 상태 인지시뮬레이션을 통해 확인 후, 자원을 할당합니다.- 만약 알고리즘에 의해, 위험한 상황이 예상된다면 자원 할등을 거부해서 교착 상태 발생을 회피하는 방식입니다.
📌 교착 상태 검출 후 회복
- 교착 상태 검출 후 회복은, 교착 상태가 발생한 후 정상적으로 동작하도록 사후 처리를 통해 문제를 해결하는 방법입니다.
- 자원 할당에 대해 제한을 두지 않고 할당하고, 주기적으로 교착 상태 발생 여부를 검사하여 이를 해결합니다.
- 만약 검출되면,
자원 선점을 통해 회복하거나, 문제 프로세스를강제 종료하여 해결하는 방법들이 존재합니다.
자원 선점을 통한 회복
- 교착 상태가 해결될 때까지 다른 프로세스로부터 강제로 자원을 빼앗아 한 프로세스에 몰아주는 것을 의미
📌 정리
- 교착 상태는 개발 중에 흔히 드러나지 않습니다.
- 단위 테스트, 로컬 환경, 개발 서버에서는 거의 재현되지 않는 경우가 많고, 실제 서비스 환경에서 특정 트래픽 패턴이나 운이 나쁜 타이밍에만 드물게 발생하는 경우가 많습니다.
- 스레드가 많아지고, 락이나 동기화 자원이 많아질수록 발생 확률이 올라갑니다.
- 동일한 코드라도, “스레드 스케줄링” “운영체제의 타임슬라이스” “자원 사용량, 네트워크 상황” 같은 외부 요인에 따라 교착상태가 전혀 없이 동작하거나, 갑자기 발생해서 서비스가 멈추기도 합니다.
- 한 번 발생하면 원인 파악이 매우 어렵고, 스레드 덤프, 로그 분석, 리소스 점유 상태 추적 등 다양한 도구가 필요합니다.
- 물론, 명확한 교착 상태에 대한 원인 파악이 가장 베이스되어야 한다고 생각합니다.