Java - スレッドデッドロック

こんにちは、未来のJavaの魔法使いたち！今日は、Javaプログラミングの中でも最も厄介なコンセプトの1つ、スレッドデッドロックについて深く掘り下げます。心配しないで、脅威的に聞こえても、このレッスンの終わりまでに、プロのようにこれらの厄介な問題を見つけて解決できるデッドロックの探偵になることができます！

Java - Thread Deadlock

スレッドデッドロックとは？

ディナーパーティで、フォークとナイフが両方必要であるとしましょう。フォークを取ったが、ナイフに手を伸ばすと、友人がすでに取っているのです。同時に、友人もあなたのフォークを必要としていますが、あなたはナイフを得るまでフォークを放すことはありません。お互いが必要とするものを放すまで待ち続ける、それが実際のデッドロックです！

Javaでは、2つ以上のスレッドが永遠にブロックされ、お互いがリリースするリソースを待っているとデッドロックが発生します。それは、キウボイの対立のようなものですが、Javaのスレッドがクロウボイの代わりにいます！

スレッドと同期の理解

デッドロックについて深く掘る前に、いくつかの重要な概念を簡単にレビューしましょう：

スレッド

スレッドは、プログラム内の小さなワーカーのように、それぞれ特定のタスクを行います。彼らは同時に働くことができ、プログラムをより効率的にします。

同期

同期は、一度に1つのスレッドだけが共有リソースにアクセスできるようにする方法です。それは、ホテルの部屋のドアに「お取り扱いのないように」というサインを贴るのに似ています。

デッドロックが発生する理由

デッドロックは通常、4つの条件（コフマンの条件として知られています）が満たされた場合に発生します：

互相排他性：少なくとも1つのリソースが非共有モードで保持される必要があります。
保持と待機：スレッドは、他のスレッドが保持している追加のリソースを取得するのを待っている間、少なくとも1つのリソースを保持していなければなりません。
プリエンションのない：リソースはスレッドから強制的に取ることはできず、自発的にリリースされる必要があります。
円環待機：2つ以上のスレッドが、チェーンの次のスレッドによって保持されているリソースを待っている円環状の連鎖。

例：デッドロック状況のデモンストレーション

デッドロック状況の古典的な例を見てみましょう。2つのリソース（オブジェクトで表現）と、それらを異なる順序で取得を試みる2つのスレッドを作成します。

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

public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
synchronized (resource1) {
System.out.println("Thread 1: Holding Resource 1...");
try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
System.out.println("Thread 1: Waiting for Resource 2...");
synchronized (resource2) {
System.out.println("Thread 1: Holding Resource 1 and Resource 2");
}
}
});

Thread thread2 = new Thread(() -> {
synchronized (resource2) {
System.out.println("Thread 2: Holding Resource 2...");
try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
System.out.println("Thread 2: Waiting for Resource 1...");
synchronized (resource1) {
System.out.println("Thread 2: Holding Resource 2 and Resource 1");
}
}
});

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

これを分解してみましょう：

我々は2つの Object インスタンス、resource1 と resource2 を作成し、共有リソースを表現します。
我々は2つのスレッドを作成します：

thread1 はまず resource1 を取得し、その後 resource2 を取得を試みます。
thread2 はまず resource2 を取得し、その後 resource1 を取得を試みます。

どちらのスレッドも synchronized キーワードを使用してリソースをロックします。
小さな遅延（Thread.sleep(100)）を追加して、デッドロックが発生する可能性を増やします。

このコードを実行すると、デッドロックが発生する可能性があります。Thread 1 は resource1 を取得し、resource2 を待ちますが、Thread 2 は resource2 を取得し、resource1 を待ちます。どちらのスレッドも進めることができず、デッドロックとなります。

デッドロック解決例

デッドロックが発生する方法を見たので、それを防ぐ方法を見てみましょう。簡単な解決策は、すべてのスレッドで同じ順序でリソースを取得することです。

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

public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
synchronized (resource1) {
System.out.println("Thread 1: Holding Resource 1...");
try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
synchronized (resource2) {
System.out.println("Thread 1: Holding Resource 1 and Resource 2");
}
}
});

Thread thread2 = new Thread(() -> {
synchronized (resource1) {
System.out.println("Thread 2: Holding Resource 1...");
try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
synchronized (resource2) {
System.out.println("Thread 2: Holding Resource 1 and Resource 2");
}
}
});

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

この解決策では：

どちらのスレッドもまず resource1 を取得し、その後 resource2 を取得します。
これにより、リソース取得の一貫した順序が保たれ、円環待機の条件が防ぎます。

デッドロックを避けるためのベストプラクティス

常に同じ順序でロックを取得する：私たちの解決例で見たように、これにより円環待機が防ぎます。
ネストされたロックを避ける：同期ブロックの数を最小限に抑えるようにします。
tryLock() を使用してタイムアウトを設定する：無限に待つのではなく、tryLock() を使用して特定の時間枠でロックを取得を試みます。
ロックを長く保持しない：共有リソースの処理が終わったら、すぐにロックを解放します。

結論

おめでとうございます！あなたは今、Javaスレッドデッドロックの謎を解き明かしたのです。マルチスレッドプログラムを書くのは、複雑なダンスを編舞するようなもので、慎重な計画と調整が必要です。すべてのダンサー（スレッド）が互いの足を踏まないように（または、リソースをロックしないように）スムーズに動くようにします。

Javaの旅を続ける中で、これらのコンセプトを心に留め、効率的でデッドロックのないマルチスレッドプログラムを書くための十分な装備を身にまとめましょう。お楽しいコーディングをお願いします。あなたのスレッドが常に和諧であればいいですね！

Credits: Image by storyset