デッドロックとは、複数のプロセス（またはスレッド）が互いにリソースを待ち合った状態に陥り、処理が進まなくなる状態を指す。
コンピュータシステム、特にオペレーティングシステムにおいて発生し、システム全体の動作を停止させる深刻な問題となる。
デッドロックの概要
デッドロックは、以下の4つの条件が同時に満たされた場合に発生する。
- 相互排除: リソースは一度に1つのプロセスのみが使用できる。他のプロセスは、そのリソースが解放されるまで待たなければならない。
- 保持と待ち: プロセスは、少なくとも1つのリソースを保持した状態で、他のプロセスによって保持されているリソースをさらに要求する。
- 非横取り: プロセスが保持しているリソースは、そのプロセスが自発的に解放するまで、他のプロセスによって強制的に奪われることはない。
- 循環待ち: プロセス間にリソース要求の循環が存在する。つまり、プロセスAがプロセスBの保持するリソースを待ち、プロセスBがプロセスCの保持するリソースを待ち…というように、リソース要求が環状に繋がっている状態である。
デッドロックが発生すると、システムは膠着状態に陥り、処理が進まなくなる。この状態を解消するためには、デッドロックを引き起こしているプロセスを強制終了するか、リソースを強制的に解放する必要がある。
デッドロックの例
具体的な例を挙げると、2つのプロセスAとB、2つのリソースXとYが存在するとする。
- プロセスAがリソースXを獲得する。
- プロセスBがリソースYを獲得する。
- プロセスAがリソースYを要求するが、プロセスBが保持しているため待たされる。
- プロセスBがリソースXを要求するが、プロセスAが保持しているため待たされる。
この結果、プロセスAとBは互いにリソースを待ち合う状態になり、デッドロックが発生する。
デッドロックの原因
デッドロックは、システム設計やプログラムの不備によって引き起こされる。主な原因としては、以下の点が挙げられる。
1. リソース競合
複数のプロセスやスレッドが、同じリソース（例えば、ファイル、データベースレコード、メモリ領域など）に同時にアクセスしようとする場合、リソース競合が発生する。リソースが排他的に使用される場合、あるプロセスがリソースをロックしている間、他のプロセスはアクセスを待たなければならない。この待ち状態が連鎖的に発生すると、デッドロックに陥る可能性がある。
2. プログラムロジックの誤り
プログラムの設計や実装に誤りがあると、デッドロックが発生しやすくなる。例えば、リソースのロック順序が統一されていない場合、プロセスAがリソースXをロックし、プロセスBがリソースYをロックした状態で、プロセスAがリソースYを、プロセスBがリソースXを要求すると、互いに待ち状態になりデッドロックが発生する。
3. リソース不足
システムが利用可能なリソースが不足している場合、プロセスがリソースを獲得できずに待ち状態になることがある。この待ち状態が複数のプロセス間で連鎖的に発生すると、デッドロックを引き起こす可能性がある。
4. 優先度の逆転
優先度の低いプロセスがリソースを保持している間に、優先度の高いプロセスが同じリソースを要求し、待ち状態になることがある。この状態が続くと、優先度の高いプロセスが実行できなくなり、システム全体の性能が低下するだけでなく、デッドロックを引き起こす可能性もある。
5. システム構成の複雑化
システムが大規模化・複雑化するにつれて、リソース間の依存関係も複雑になる。このような状況では、リソース競合やプログラムロジックの誤りが発生しやすくなり、デッドロックのリスクが高まる。
デッドロックの対策
以下に、代表的なデッドロック対策をいくつか紹介する。
1. デッドロックの予防
デッドロック発生の4つの必要条件のうち、いずれか1つでも成立しないようにすることで、デッドロックを未然に防ぐことができる。
- 相互排除の緩和: リソースを共有可能なものに変更する、あるいはロックの粒度を細かくすることで、複数のプロセスが同時にリソースにアクセスできるようにする。
- 保持と待ちの禁止: プロセスがリソースを要求する際に、既に他のリソースを保持していない状態にする。例えば、全ての必要なリソースを一度に要求する、あるいはリソースを要求する前に保持しているリソースを解放するなどの方法がある。
- 非横取りの緩和: プロセスがリソースを保持している間でも、他のプロセスが強制的に奪えるようにする。ただし、この方法はデータの整合性を損なう可能性があるため、慎重に適用する必要がある。
- 循環待ちの禁止: リソースに番号を割り当て、プロセスは番号順にリソースを要求するようにする。これにより、リソース要求の循環を防止できる。
2. デッドロックの回避
リソース割り当てを慎重に行い、常に安全な状態を保つことで、デッドロックを回避する。
- リソース割り当てグラフ: リソースとプロセスの関係をグラフで表現し、リソース割り当てが安全な状態かどうかを判断する。
- 銀行家アルゴリズム: リソースの要求と割り当てを管理し、安全な状態を保ちながらリソースを割り当てるアルゴリズム。
3. デッドロックの検出と回復
デッドロックが発生した場合に、それを検出し、システムを回復させる。
- タイムアウト: リソースを要求してから一定時間が経過しても応答がない場合、デッドロックが発生したと判断し、プロセスを強制終了する。
- デッドロック検出アルゴリズム: リソース割り当てグラフなどを用いて、デッドロックが発生しているかどうかを定期的にチェックする。デッドロックが検出された場合は、プロセスを強制終了したり、リソースを強制的に解放したりすることでシステムを回復させる。
4. その他の対策
- ロックのタイムアウト設定: リソースのロック時間を制限することで、デッドロックのリスクを軽減できる。
- トランザクションの分離レベル調整: データベースのトランザクション分離レベルを調整することで、デッドロックの発生頻度を減らすことができる。
まとめ
デッドロックはシステムの安定稼働を脅かす深刻な問題であるが、適切な対策を講じることで、その発生を予防し、あるいは発生時の影響を最小限に抑えることができる。
これらの対策は、システムの特性や要件に応じて適切に選択・組み合わせる必要がある。デッドロックはシステムの安定稼働を脅かす問題であるが、適切な対策を講じることで、その影響を最小限に抑えることが可能である。