멀티스레딩 개념 부분 교착 상태

멀티스레딩 시리즈 3부에 오신 것을 환영합니다!

• 1부에서는 원자성과 불변성에 대해 살펴보았습니다.
• 2부에서는 굶주림을 다루었습니다.

이번 부분에서는 멀티스레딩에서 Deadlock의 메커니즘을 살펴보겠습니다. 원인, 코드가 정체된 교차로로 바뀌는 것을 방지하기 위해 사용할 수 있는 식별 및 예방 전략을 알아보세요. 애플리케이션이 눈에 띄는 오류 없이 중단되어 개발자가 당황하고 시스템이 정지되는 경우가 많습니다.

동시성의 복잡한 경로 탐색

교착 상태를 이해하는 데 유용한 비유는 교차 선로에 여러 열차가 있는 철도 네트워크를 상상하는 것입니다.

각 열차는 다음 열차가 이동하기를 기다리고 있기 때문에 더 이상 진행할 수 없어 교착 상태가 발생합니다. 이 시나리오에서는 비효율적인 신호 시스템으로 인해 각 열차가 다음 구간이 비어 있는지 먼저 확인하지 않고 각 구간에 들어갈 수 있어 모든 열차가 깨지지 않는 순환에 갇히게 되었습니다.

이 열차 예시는 스레드(예: 열차)가 리소스(트랙 섹션)를 유지하면서 다른 리소스가 해제될 때까지 기다리지만 아무 것도 진행할 수 없는 멀티스레딩의 일반적인 교착 상태를 보여줍니다. 소프트웨어에서 이러한 종류의 교착 상태를 방지하려면 보다 스마트한 철도 신호와 유사한 효과적인 리소스 관리 전략을 구현하여 순환 종속성을 피하고 각 스레드의 안전한 통과를 보장해야 합니다.

1. 교착상태란 무엇인가?

교착 상태는 스레드(또는 프로세스)가 무기한 차단되어 다른 스레드가 보유한 리소스를 기다리는 상황입니다. 이 시나리오는 관련 스레드가 진행할 수 없는 중단할 수 없는 종속성 순환으로 이어집니다. 탐지, 예방 및 해결 방법을 탐색하기 전에 교착 상태의 기본을 이해하는 것이 필수적입니다.

2. 교착상태의 조건

교착 상태가 발생하려면 Coffman 조건으로 알려진 네 가지 조건이 동시에 충족되어야 합니다.

• 상호 배제: 적어도 하나의 리소스는 공유 불가능 모드로 유지되어야 합니다. 즉, 한 번에 하나의 스레드만 사용할 수 있습니다.

• 보류 및 대기: 스레드는 하나의 리소스를 보유하고 다른 스레드가 보유하는 추가 리소스를 획득할 때까지 기다려야 합니다.

• 선점 없음: 스레드에서 리소스를 강제로 제거할 수 없습니다. 자발적으로 석방되어야 합니다.

• 순환 대기: 닫힌 스레드 체인이 존재하며 각 스레드는 체인의 다음 스레드에 필요한 리소스를 하나 이상 보유합니다.

시퀀스 다이어그램으로 이해하자

위 애니메이션에서

• 스레드 A는 리소스 1을 보유하고 리소스 2를 기다립니다
• 스레드 B가 리소스 2를 보유하고 리소스 1을 기다리는 동안

위에서 공유한 교착 상태의 4가지 조건이 모두 존재하므로 무기한 차단이 발생합니다. 둘 중 하나라도 깨면 교착상태를 방지할 수 있습니다.

3. 교착상태 감지/모니터링

특히 대규모 애플리케이션에서는 교착 상태를 감지하는 것이 어려울 수 있습니다. 그러나 다음 접근 방식은 교착 상태를 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다

• 도구: Java의 JConsole, VisualVM 및 IDE의 스레드 분석기는 실시간으로 교착 상태를 감지할 수 있습니다.
• 스레드 덤프 및 로그: 스레드 덤프를 분석하면 대기 중인 스레드와 해당 스레드가 보유하고 있는 리소스를 확인할 수 있습니다.

교착 상태 디버깅/모니터링 방법을 이해하는 자세한 개요는 VisualVM 및 jstack을 사용하여 교착 상태 디버그 및 모니터링을 참조하세요.

4. 교착상태 예방 전략

• Wait-Die 및 Wound-Wait 방식 적용
  Wait-Die Scheme: 스레드가 다른 스레드가 보유한 잠금을 요청하면 데이터베이스는 일반적으로 각 스레드의 타임스탬프를 기반으로 상대적 우선순위를 평가합니다. 요청 스레드의 우선순위가 더 높으면 대기합니다. 그렇지 않으면 종료됩니다(다시 시작).
  Wound-Wait 방식: 요청 스레드의 우선순위가 더 높은 경우 강제로 잠금을 해제하여 우선순위가 낮은 스레드를 Wound(선점)합니다.

• 공유 상태에 대한 불변 객체
  가능하다면 공유 상태를 불변으로 디자인하세요. 불변 객체는 수정할 수 없으므로 동시 액세스에 잠금이 필요하지 않습니다. 교착 상태 위험을 줄이고 코드를 단순화합니다.

• 잠금 획득을 위해 시간 제한이 있는 tryLock 사용: 표준 동기화 블록과 달리 ReentrantLock을 사용하면 tryLock(timeout, 단위)을 사용하여 지정된 기간 내에 잠금 획득을 시도할 수 있습니다. 해당 시간 내에 잠금을 획득하지 못하면 리소스를 해제하여 무기한 차단을 방지합니다.
  

ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();

public void acquireLocks() {
    try {
        if (lock1.tryLock(100, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
            try {
                if (lock2.tryLock(100, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                    // Critical section
                }
            } finally {
                lock2.unlock();
            }
        }
    } catch (InterruptedException e) {
        Thread.currentThread().interrupt();
    } finally {
        lock1.unlock();
    }
}

• 잠금 주문 및 해제 잠금 획득을 위해 엄격한 전역 순서를 설정합니다. 모든 스레드가 일관된 순서로 잠금을 획득하면 순환 종속성이 형성될 가능성이 낮아져 교착 상태가 방지됩니다. 예를 들어, 코드베이스 전체에서 항상 lock2보다 먼저 lock1을 획득하세요. 이 방법은 대규모 애플리케이션에서는 어려울 수 있지만 교착 상태 위험을 줄이는 데는 매우 효과적입니다.

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockOrderingExample {

    private static final Lock lock1 = new ReentrantLock();
    private static final Lock lock2 = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            acquireLocksInOrder(lock1, lock2);
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            acquireLocksInOrder(lock1, lock2);
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
    }

    private static void acquireLocksInOrder(Lock firstLock, Lock secondLock) {
        try {
            firstLock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired lock1");

            secondLock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired lock2");

            // Perform some operations

        } finally {
            secondLock.unlock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " released lock2");

            firstLock.unlock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " released lock1");
        }
    }
}

• 스레드 안전/동시 컬렉션 사용: Java의 java.util.concurrent 패키지는 내부적으로 동기화를 처리하는 공통 데이터 구조(ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList 등)의 스레드 안전 구현을 제공합니다. 명시적인 잠금이 필요합니다. 이러한 컬렉션은 내부 파티셔닝과 같은 기술을 사용하여 명시적인 잠금이 필요하지 않도록 설계되었으므로 교착 상태를 최소화합니다.

• 중첩된 잠금 방지
  순환 종속성을 방지하려면 동일한 블록 내에서 여러 잠금 획득을 최소화하세요. 중첩된 잠금이 필요한 경우 일관된 잠금 순서를 사용하세요

소프트웨어 엔지니어를 위한 주요 사항

• 잠금이 필요한 디자인을 만들 때마다 교착 상태가 발생할 가능성이 있습니다.
• 교착 상태는 프로세스 간의 종속성 순환으로 인해 발생하는 차단 문제입니다. 각 프로세스는 다른 프로세스가 보유한 리소스를 기다리고 있기 때문에 어떤 프로세스도 진행할 수 없으며 리소스 해제를 진행할 수도 없습니다.
• 교착 상태는 관련 프로세스를 완전히 중단하고 복구를 위해 교착 상태 주기를 깨야 하므로 더욱 심각합니다.
• 교착 상태는 서로 다른 두 개의 잠금이 있는 경우에만 발생할 수 있습니다. 즉, 잠금을 잡고 다른 잠금이 해제되기를 기다리는 경우입니다. (단, 교착상태에는 더 많은 조건이 있습니다.)
• 스레드 안전성은 교착 상태 없음을 의미하지 않습니다. 여러 스레드에서 호출되는 경우에도 코드가 인터페이스에 따라 작동한다는 것만 보장합니다. 클래스를 스레드로부터 안전하게 만드는 것은 일반적으로 안전한 실행을 보장하기 위해 잠금을 추가하는 것을 포함합니다.

아웃트로

초심자이든 노련한 개발자이든 동시 시스템에서 강력하고 효율적인 코드를 작성하려면 교착 상태를 이해하는 것이 중요합니다. 이번 글에서는 교착상태가 무엇인지, 그 원인과 교착상태를 방지할 수 있는 실제적인 방법을 살펴보았습니다. 효과적인 리소스 할당 전략을 구현하고, 작업 종속성을 분석하고, 스레드 덤프 및 교착 상태 감지 도구와 같은 도구를 활용함으로써 개발자는 교착 상태 위험을 최소화하고 원활한 동시성을 위해 코드를 최적화할 수 있습니다.

멀티스레딩의 핵심 개념을 계속해서 살펴보면서 이 시리즈의 다음 기사를 계속 지켜봐 주시기 바랍니다. 중요 섹션에 대해 자세히 알아보고 여러 스레드에서 공유 리소스를 안전하게 관리하는 방법을 알아보세요. 또한 확인하지 않고 방치할 경우 예측할 수 없는 동작과 버그로 이어질 수 있는 일반적인 동시성 문제인 경합 조건의 개념에 대해서도 논의할 것입니다.

각 단계를 통해 애플리케이션을 스레드로부터 안전하고 효율적이며 복원력 있게 만드는 방법에 대한 더 깊은 통찰력을 얻을 수 있습니다. 더 좋고 성능이 뛰어난 소프트웨어를 구축하려면 멀티스레딩 지식의 한계를 계속 확장하세요!

참고자료

• 스택오버플로우
• 인포그래픽
• 교착 상태를 감지하고 수정하는 방법

위 내용은 멀티스레딩 개념 부분 교착 상태의 상세 내용입니다. 자세한 내용은 PHP 중국어 웹사이트의 기타 관련 기사를 참조하세요!