S12L23 - trylock을 사용한 교착 상태 예방

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ReentrantLock 및 TryLock을 사용한 Java의 교착 상태 방지
목차

소개 ............................................................. 1
교착 상태 이해하기 .............................................. 3

교착 상태란 무엇인가?
교착 상태의 일반적인 원인
응용 프로그램에 미치는 교착 상태의 영향


Java의 동시성 .................................................... 7

스레드와 동기화
동시성에서의 잠금의 역할


ReentrantLock 개요 ........................................... 12

ReentrantLock 소개
동기화 블록에 대한 장점


TryLock을 사용한 교착 상태 방지 .................................. 18

TryLock 메커니즘
Java에서 TryLock 구현
잠금 획득 실패 처리


실제 구현 .............................................. 25

프로젝트 구조
코드 단계별 설명
출력 분석


교착 상태 방지를 위한 모범 사례 ................................ 35

일관된 잠금 순서
잠금 범위 제한
중첩 잠금 피하기


결론 .............................................................. 42
추가 자료 .................................................... 44

소개
동시성은 현대 소프트웨어 개발의 기본적인 측면으로, 응용 프로그램이 여러 작업을 동시에 수행할 수 있게 합니다. 이는 성능과 응답성을 향상시키지만, 동기화 문제와 교착 상태와 같은 도전 과제를도 도입합니다. 교착 상태는 두 개 이상의 스레드가 서로 보유한 자원을 무기한으로 기다리면서 발생하여 응용 프로그램이 중단되는 상황을 말합니다.
이 전자책에서는 ReentrantLock과 tryLock의 사용에 중점을 두고 Java에서의 교착 상태 방지에 대해 다룹니다. 이러한 도구들이 개발자가 자원 동기화를 효과적으로 관리하도록 도와주어 원활하고 효율적인 다중 스레드 작업을 보장하는 방법을 탐구할 것입니다.
교착 상태 방지의 중요성
교착 상태는 응용 프로그램의 신뢰성과 성능에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 특히 높은 동시성이 요구되는 응용 프로그램에서 시스템 안정성을 유지하기 위해서는 이를 방지하는 것이 중요합니다. 효과적인 교착 상태 방지 전략을 이해하고 구현함으로써 개발자는 견고하고 효율적인 Java 응용 프로그램을 만들 수 있습니다.
ReentrantLock 및 TryLock의 장단점
장점:

유연성: 동기화 블록을 넘어선 고급 잠금 메커니즘을 제공합니다.
시간 제한 잠금 시도: tryLock은 스레드가 시간 초과와 함께 잠금을 시도할 수 있게 합니다.
인터럽트 가능한 잠금 획득: 스레드는 잠금을 기다리는 동안 인터럽트될 수 있습니다.

단점:

복잡성: 동기화 블록보다 더 복잡하며 신중한 처리가 필요합니다.
오류 가능성: 부적절한 사용은 미묘한 버그와 문제를 초래할 수 있습니다.

ReentrantLock 및 TryLock을 사용할 때
ReentrantLock과 tryLock은 다음과 같은 상황에서 사용합니다:

시간 제한된 잠금 시도.
공정한 잠금 정책.
인터럽트를 처리할 수 있는 잠금 획득.

이 도구들은 높은 동시성과 복잡한 동기화 요구 사항이 있는 응용 프로그램에서 특히 유용합니다.
비교 표: 동기화 블록 vs ReentrantLock



특징
동기화 블록
ReentrantLock




유연성
제한적
매우 유연함


잠금 획득 제어
암묵적
lock 및 unlock 메서드를 통한 명시적 제어


타임아웃 메커니즘
사용 불가
tryLock을 통해 사용 가능


인터럽트 가능성
지원되지 않음
lockInterruptibly를 통해 지원됨


공정성 정책
구성 불가
공정한 접근을 보장하도록 구성 가능



크기 및 성능 비교



측면
동기화 블록
ReentrantLock




오버헤드
낮은 오버헤드
유연성으로 인해 약간 높음


높은 경쟁에서의 성능
저하될 수 있음
더 나은 성능 유지


확장성
내부 잠금에 의해 제한됨
고급 기능으로 더 나은 확장성




교착 상태 이해하기
교착 상태란 무엇인가?
교착 상태는 동시 프로그래밍에서 두 개 이상의 스레드가 영원히 차단된 상태로, 각각 다른 스레드가 보유한 자원을 기다리는 상황을 말합니다. 이러한 상호 대기는 프로그램 실행을 중단시킵니다.
교착 상태의 일반적인 원인

상호 배제: 자원은 공유할 수 없으며 한 번에 하나의 스레드만 보유할 수 있습니다.
점유 및 대기: 스레드는 추가 자원을 획득하기 위해 기다리는 동안 자원을 계속 보유합니다.
비선점: 자원은 이를 보유한 스레드로부터 강제로 빼앗을 수 없습니다.
순환 대기: 스레드들이 자원을 순환적으로 기다리는 닫힌 체인이 존재합니다.

응용 프로그램에 미치는 교착 상태의 영향

성능 저하: 스레드가 유휴 상태로 남아 응용 프로그램의 처리량이 감소합니다.
자원 낭비: 잠긴 자원이 사용 불가능한 상태로 남아 비효율적인 활용을 초래합니다.
시스템 응답 불가: 전체 응용 프로그램이 응답하지 않게 되어 사용자 경험에 영향을 미칩니다.


Java의 동시성
스레드와 동기화
Java는 다중 스레드 실행을 위한 강력한 지원을 제공하여 여러 스레드가 동시에 실행될 수 있게 합니다. 그러나 동시성이 증가함에 따라 공유 자원에 대한 접근을 관리하기 위한 동기화가 필요해지며, 이는 불일치를 방지하고 데이터 무결성을 보장합니다.
동시성에서의 잠금의 역할
잠금은 동기화를 관리하는 데 필수적입니다. 잠금은 여러 스레드가 공유 자원에 접근하는 것을 제어하여 한 번에 하나의 스레드만 자원에 접근할 수 있도록 함으로써 충돌을 방지하고 일관성을 유지합니다.

ReentrantLock 개요
ReentrantLock 소개
ReentrantLock은 Java의 java.util.concurrent.locks 패키지에서 제공하는 클래스입니다. 이는 동기화 블록의 기능을 넘어서는 고급 잠금 메커니즘을 제공하여 스레드 동기화에 대한 더 큰 유연성과 제어를 제공합니다.
동기화 블록에 대한 장점

고급 기능: 시간 제한된 잠금 시도와 인터럽트 가능한 잠금 획득을 지원합니다.
공정성 정책: 요청된 순서대로 잠금을 부여할 수 있습니다.
조건 변수: 여러 대기 집합을 통해 스레드 간의 통신을 용이하게 합니다.


TryLock을 사용한 교착 상태 방지
TryLock 메커니즘
tryLock 메서드는 스레드가 무기한 기다리지 않고 잠금을 시도할 수 있게 합니다. 이는 성공 여부를 나타내는 불리언 값과 함께 즉시 반환되거나, 지정된 시간 동안 기다린 후 실패하여 스레드가 잠금을 기다리며 멈추는 것을 방지합니다.
Java에서 TryLock 구현




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

public class DeadlockPrevention {
    private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
    private static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new Task(lock1, lock2), "Thread-1");
        Thread t2 = new Thread(new Task(lock2, lock1), "Thread-2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

class Task implements Runnable {
    private ReentrantLock firstLock;
    private ReentrantLock secondLock;

    public Task(ReentrantLock firstLock, ReentrantLock secondLock) {
        this.firstLock = firstLock;
        this.secondLock = secondLock;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            boolean gotFirstLock = false;
            boolean gotSecondLock = false;
            try {
                // 첫 번째 잠금 시도
                gotFirstLock = firstLock.tryLock(10, TimeUnit.MILLISECONDS);
                if (gotFirstLock) {
                    // 두 번째 잠금 시도
                    gotSecondLock = secondLock.tryLock(10, TimeUnit.MILLISECONDS);
                    if (gotSecondLock) {
                        // 크리티컬 섹션
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired both locks.");
                        break;
                    }
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                // 잠금 해제
                if (gotSecondLock) {
                    secondLock.unlock();
                }
                if (gotFirstLock) {
                    firstLock.unlock();
                }
            }
        }
    }
}
			
				
					
				
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55
				
						import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
 
public class DeadlockPrevention {
    private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
    private static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();
 
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new Task(lock1, lock2), "Thread-1");
        Thread t2 = new Thread(new Task(lock2, lock1), "Thread-2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
 
class Task implements Runnable {
    private ReentrantLock firstLock;
    private ReentrantLock secondLock;
 
    public Task(ReentrantLock firstLock, ReentrantLock secondLock) {
        this.firstLock = firstLock;
        this.secondLock = secondLock;
    }
 
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            boolean gotFirstLock = false;
            boolean gotSecondLock = false;
            try {
                // 첫 번째 잠금 시도
                gotFirstLock = firstLock.tryLock(10, TimeUnit.MILLISECONDS);
                if (gotFirstLock) {
                    // 두 번째 잠금 시도
                    gotSecondLock = secondLock.tryLock(10, TimeUnit.MILLISECONDS);
                    if (gotSecondLock) {
                        // 크리티컬 섹션
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired both locks.");
                        break;
                    }
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                // 잠금 해제
                if (gotSecondLock) {
                    secondLock.unlock();
                }
                if (gotFirstLock) {
                    firstLock.unlock();
                }
            }
        }
    }
}
					
				
			
		


잠금 획득 실패 처리
tryLock이 지정된 시간 내에 잠금을 획득하지 못하면, 스레드는 재시도, 실패 로그 기록 또는 대체 조치를 취할 수 있습니다. 이 메커니즘은 스레드가 무기한으로 기다리는 것을 방지하여 교착 상태를 피할 수 있게 합니다.

실제 구현
프로젝트 구조




		
		
			
			
Java
			
			S12L23 - Deadlock prevention with trylock/
│
├── pom.xml
├── src/
│   └── main/
│       └── java/
│           └── org/
│               └── studyeasy/
│                   └── Main.java
└── target/
    └── classes/
        └── org/
            └── studyeasy/
                ├── Main.class
			
				
					
				
					1
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3
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7
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12
13
14
				
						S12L23 - Deadlock prevention with trylock/
│
├── pom.xml
├── src/
│   └── main/
│       └── java/
│           └── org/
│               └── studyeasy/
│                   └── Main.java
└── target/
    └── classes/
        └── org/
            └── studyeasy/
                ├── Main.class
					
				
			
		


코드 단계별 설명
Main.java 파일의 주요 구성 요소를 분석해 보겠습니다.
필요한 클래스 임포트




		
		
			
			
Java
			
			import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
			
				
					
				
					1
2
				
						import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
					
				
			
		



ReentrantLock: 고급 잠금 메커니즘을 제공합니다.
TimeUnit: 시간 기간을 읽기 쉬운 형식으로 지정합니다.

잠금 정의




		
		
			
			
Java
			
			public class Main {
    private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
    private static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new Task(lock1, lock2), "Thread-1");
        Thread t2 = new Thread(new Task(lock2, lock1), "Thread-2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
			
				
					
				
					1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
				
						public class Main {
    private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
    private static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();
 
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new Task(lock1, lock2), "Thread-1");
        Thread t2 = new Thread(new Task(lock2, lock1), "Thread-2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
					
				
			
		



lock1 및 lock2: 동기화를 위해 사용되는 ReentrantLock의 정적 인스턴스입니다.
스레드 t1 및 t2: Task runnable로 생성되며, 잠금을 다른 순서로 전달하여 잠재적인 교착 상태 시나리오를 시뮬레이션합니다.

Task Runnable 구현




		
		
			
			
Java
			
			class Task implements Runnable {
    private ReentrantLock firstLock;
    private ReentrantLock secondLock;

    public Task(ReentrantLock firstLock, ReentrantLock secondLock) {
        this.firstLock = firstLock;
        this.secondLock = secondLock;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            boolean gotFirstLock = false;
            boolean gotSecondLock = false;
            try {
                // 첫 번째 잠금 시도
                gotFirstLock = firstLock.tryLock(10, TimeUnit.MILLISECONDS);
                if (gotFirstLock) {
                    // 두 번째 잠금 시도
                    gotSecondLock = secondLock.tryLock(10, TimeUnit.MILLISECONDS);
                    if (gotSecondLock) {
                        // 크리티컬 섹션
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired both locks.");
                        break;
                    }
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                // 잠금 해제
                if (gotSecondLock) {
                    secondLock.unlock();
                }
                if (gotFirstLock) {
                    firstLock.unlock();
                }
            }
        }
    }
}
			
				
					
				
					1
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						class Task implements Runnable {
    private ReentrantLock firstLock;
    private ReentrantLock secondLock;
 
    public Task(ReentrantLock firstLock, ReentrantLock secondLock) {
        this.firstLock = firstLock;
        this.secondLock = secondLock;
    }
 
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            boolean gotFirstLock = false;
            boolean gotSecondLock = false;
            try {
                // 첫 번째 잠금 시도
                gotFirstLock = firstLock.tryLock(10, TimeUnit.MILLISECONDS);
                if (gotFirstLock) {
                    // 두 번째 잠금 시도
                    gotSecondLock = secondLock.tryLock(10, TimeUnit.MILLISECONDS);
                    if (gotSecondLock) {
                        // 크리티컬 섹션
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired both locks.");
                        break;
                    }
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                // 잠금 해제
                if (gotSecondLock) {
                    secondLock.unlock();
                }
                if (gotFirstLock) {
                    firstLock.unlock();
                }
            }
        }
    }
}
					
				
			
		



실행 메서드:

잠금 시도: firstLock 및 secondLock을 각각 10밀리초의 타임아웃과 함께 시도합니다.
크리티컬 섹션: 두 잠금을 모두 획득하면 확인 메시지를 출력하고 루프를 종료합니다.
Finally 블록: 획득된 잠금을 해제하여 잠재적인 교착 상태를 방지합니다.



출력 분석
샘플 출력:




		
		
			
			
Java
			
			Thread-1 acquired both locks.
Thread-2 acquired both locks.
			
				
					
				
					1
2
				
						Thread-1 acquired both locks.
Thread-2 acquired both locks.
					
				
			
		


설명:

두 스레드 모두 교착 상태에 빠지지 않고 lock1과 lock2을 성공적으로 획득합니다.
tryLock과 타임아웃을 사용함으로써 한 잠금이 사용 가능하지 않을 경우 스레드는 보유한 잠금을 해제하고 재시도하여 무기한 대기를 피합니다.


교착 상태 방지를 위한 모범 사례
일관된 잠금 순서
모든 스레드가 일관된 순서로 잠금을 획득하도록 보장하십시오. 모든 스레드가 lock1을 먼저 잠그고 그 다음 lock2를 잠그면, 순환 대기 조건을 방지하여 교착 상태를 제거할 수 있습니다.
잠금 범위 제한
잠금을 보유하는 시간을 최소화하십시오. 크리티컬 섹션을 가능한 한 짧게 유지하면 경쟁과 교착 상태의 가능성을 줄일 수 있습니다.
중첩 잠금 피하기
여러 잠금을 동시에 획득하는 것을 피하십시오. 불가피할 경우, 잠금을 계층적 순서로 획득하여 순환 의존성을 방지하십시오.

결론
교착 상태 방지는 Java의 동시 프로그래밍에서 중요한 측면입니다. ReentrantLock과 그 tryLock 메서드를 활용함으로써 개발자는 교착 상태를 방지하면서 응용 프로그램의 성능과 신뢰성을 유지하는 견고한 동기화 메커니즘을 구현할 수 있습니다. 이 전자책은 교착 상태, 동시성 관리 및 효율적인 다중 스레드 Java 응용 프로그램 구축을 위한 실질적인 구현에 대한 심도 있는 탐구를 제공했습니다.
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추가 자료

Brian Goetz의 Java Concurrency in Practice
ReentrantLock에 대한 공식 Java 문서
Java에서 교착 상태 이해하기
Java Multithreading 및 동시성 튜토리얼

참고: 이 기사는 AI에 의해 생성되었습니다.
특징	동기화 블록	ReentrantLock
유연성	제한적	매우 유연함
잠금 획득 제어	암묵적	lock 및 unlock 메서드를 통한 명시적 제어
타임아웃 메커니즘	사용 불가	tryLock을 통해 사용 가능
인터럽트 가능성	지원되지 않음	lockInterruptibly를 통해 지원됨
공정성 정책	구성 불가	공정한 접근을 보장하도록 구성 가능
측면	동기화 블록	ReentrantLock
오버헤드	낮은 오버헤드	유연성으로 인해 약간 높음
높은 경쟁에서의 성능	저하될 수 있음	더 나은 성능 유지
확장성	내부 잠금에 의해 제한됨	고급 기능으로 더 나은 확장성