🛑 교착 상태(Deadlock): 멀티스레드의 함정과 해결 방법

오늘의 이야기

멀티스레드 프로그래밍을 하다 보면 자주 접하게 되는 문제가 바로 교착 상태(Deadlock)입니다. 최근 애플리케션에서 Deadlock이 발생하면서 장애가 발생하였고 스레드 간 자원 공유를 관리하다가 교착 상태를 예방하는 방법에 대해 다시 고민하게 되었는데요. 이번 글에서는 교착 상태의 개념, 발생 조건, 그리고 자바에서 이를 해결하는 방법을 정리해 보았습니다.

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교착 상태란? 🤔

교착 상태(Deadlock)란 두 개 이상의 작업이 서로 상대방의 작업이 끝나기만을 기다리는 상황을 의미합니다. 이로 인해 프로세스들이 아무 작업도 완료하지 못하는 상태에 빠지게 됩니다.

예시 상황:

1. 프로세스 A는 자원 1을 점유하고 자원 2를 기다립니다.
2. 프로세스 B는 자원 2를 점유하고 자원 1을 기다립니다.
3. 두 프로세스는 서로의 자원을 기다리며 멈춰있게 됩니다.

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교착 상태 발생 조건 📋

교착 상태는 다음 네 가지 조건이 동시에 만족될 때 발생합니다:

1. 상호 배제(Mutual Exclusion): 한 번에 한 프로세스만 자원을 사용할 수 있습니다.
2. 점유 대기(Hold and Wait): 자원을 점유한 프로세스가 추가 자원을 요청하며 대기합니다.
3. 비선점(Non-preemption): 이미 할당된 자원은 강제로 빼앗을 수 없습니다.
4. 원형 대기(Circular Wait): 프로세스들이 원형으로 자원을 대기하며 서로 자원을 점유한 상태입니다.

이 네 가지 조건이 동시에 충족될 경우 교착 상태가 발생할 수 있습니다.

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자바에서의 교착 상태와 예제 🛠️

자바에서는 synchronized 키워드나 ReentrantLock을 사용하여 스레드 동기화를 구현합니다. 하지만 잘못된 자원 할당 순서로 인해 교착 상태가 발생할 수 있습니다.

교착 상태 발생 예제:

public class DeadlockExample {
    private static final Object resource1 = new Object();
    private static final Object resource2 = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            synchronized (resource1) {
                System.out.println("Thread 1: Locked resource 1");

                try { Thread.sleep(50); } catch (InterruptedException e) {}

                synchronized (resource2) {
                    System.out.println("Thread 1: Locked resource 2");
                }
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            synchronized (resource2) {
                System.out.println("Thread 2: Locked resource 2");

                try { Thread.sleep(50); } catch (InterruptedException e) {}

                synchronized (resource1) {
                    System.out.println("Thread 2: Locked resource 1");
                }
            }
        });

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

위 코드에서는 스레드 1과 스레드 2가 서로 자원을 잠그고 대기하면서 교착 상태에 빠지게 됩니다.

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교착 상태 해결 방법 💡

1. 자원 할당 순서 지정

모든 스레드가 자원을 일정한 순서로 요청하도록 규칙을 정하면 원형 대기 조건을 피할 수 있습니다.

해결 코드:

synchronized (resource1) {
    synchronized (resource2) {
        // 작업 수행
    }
}

synchronized (resource1) {
    synchronized (resource2) {
        // 동일한 순서로 자원 요청
    }
}

2. 타임아웃 설정

ReentrantLock의 tryLock() 메서드를 사용하여 일정 시간 동안만 자원을 기다리도록 설정합니다.

해결 코드:

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

public class DeadlockResolution {
    private static final Lock lock1 = new ReentrantLock();
    private static final Lock lock2 = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            try {
                if (lock1.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
                    try {
                        System.out.println("Thread 1: Locked lock1");
                        Thread.sleep(50);

                        if (lock2.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
                            try {
                                System.out.println("Thread 1: Locked lock2");
                            } finally {
                                lock2.unlock();
                            }
                        }
                    } finally {
                        lock1.unlock();
                    }
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            try {
                if (lock2.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
                    try {
                        System.out.println("Thread 2: Locked lock2");
                        Thread.sleep(50);

                        if (lock1.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
                            try {
                                System.out.println("Thread 2: Locked lock1");
                            } finally {
                                lock1.unlock();
                            }
                        }
                    } finally {
                        lock2.unlock();
                    }
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

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

3. 자원 요청 시도 후 포기

자원을 얻지 못하면 일정 시간 후에 포기하고 나중에 다시 시도하도록 설계합니다.

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마치며 🌟

교착 상태는 멀티스레드 프로그래밍에서 발생할 수 있는 주요 문제 중 하나입니다. 발생 조건을 이해하고, 올바른 코딩 습관과 동기화 메커니즘을 사용한다면 교착 상태를 예방할 수 있습니다. 프로젝트에서 스레드 간 자원 공유를 관리할 때 이러한 개념을 염두에 두어 안정적이고 효율적인 코드를 작성해보시죠 🚀

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