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자바 성능 최적화 시리즈 1. Thread 문제 확인과 Deadlock 탐지

Intro

안녕하세요 Noah입니다.

오늘부터는 JAVA의 성능을 최적화하기 위한 방법들에 대해 다뤄보겠습니다.
특히, 스레드 문제 확인과 Deadlock 탐지 방법을 중심으로, 실습과 함께 자세히 설명드릴 예정입니다.
Java 애플리케이션을 운영하다 보면 스레드 관련 문제가 성능 저하의 주요 원인으로 작용하는 경우가 많은데요,
이를 효과적으로 분석하고 해결하는 방법을 단계별로 알아보겠습니다.

그럼, 시작해보겠습니다!



목차





본문

1. Thread 문제 확인하는 방법

Java에서 스레드 문제를 확인하는 방법은 크게 두 가지로 나뉩니다

  1. Thread Dump 분석을 통한 확인
  2. 프로파일링 도구를 통한 실시간 모니터링

아래에서 각 방법을 설명드리겠습니다.

1-1. Thread Dump 분석

Thread Dump는 Java 애플리케이션의 스레드 상태를 캡처하여, 각 스레드가 어떤 상태에 있고 어떤 작업을 수행 중인지 확인할 수 있는 방식입니다. 주로 Deadlock, Long-running Threads와 같은 문제를 파악하는 데 유용합니다.

  1. Thread Dump 생성 방법
    • jstack 명령어 사용
      jstack은 JDK에 포함된 도구로, Java 프로세스의 Thread Dump를 캡처합니다.
       jstack <PID>

      <PID>에는 Java 프로세스의 ID를 입력합니다.
      ps aux | grep java 명령어로 Java 프로세스를 찾아서 사용할 수 있습니다.

    • JVisualVM 사용
      GUI 기반의 도구로, Thread Dump를 쉽게 확인할 수 있으며 스레드 상태를 시각적으로 모니터링할 수 있습니다.

  2. Thread Dump 분석 방법 Thread Dump 파일에는 각 스레드의 상태가 나타나며, 주요 상태는 다음과 같습니다.

    1. RUNNABLE: 실행 중이거나 CPU 점유 중인 상태입니다.
    2. BLOCKED: 다른 스레드가 잠금을 점유하고 있어 기다리는 상태입니다.
    3. WAITING: 특정 조건이 만족될 때까지 기다리는 상태입니다.
    4. TIMED_WAITING: 주어진 시간 동안만 기다리는 상태입니다.

    이 정보를 통해 스레드가 어떤 리소스를 기다리거나, 멈춰있는지 확인할 수 있습니다.
    특히 BLOCKED 상태의 스레드가 많다면 동기화 문제로 인한 병목 현상을 의심할 수 있습니다.

1-2. 프로파일링 도구를 통한 실시간 모니터링

실시간 모니터링 도구는 스레드의 상태를 계속해서 추적하며 병목 현상이나 Deadlock을 빠르게 발견하는 데 유용합니다.

[자주 사용되는 도구 종류]

  1. JVisualVM: Java 애플리케이션의 CPU 및 메모리 사용량뿐 아니라 스레드의 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있습니다.
  2. Java Mission Control (JMC): 고성능 모니터링 도구로, Java 애플리케이션에서 실행되는 스레드의 상태를 실시간으로 분석할 수 있습니다.
  3. YourKit Java Profiler: 다양한 분석 도구가 포함된 상용 프로파일러로, 스레드 사용 패턴 및 메모리 누수, 스레드 경쟁 상태 등의 문제를 감지할 수 있습니다.

[프로파일링 도구 사용 방법 (JVisualVM 예시)]

  1. Java Process 연결: JVisualVM을 실행하고 모니터링할 Java 프로세스를 선택합니다.
  2. Threads 탭 선택: 각 스레드의 상태를 그래프로 확인할 수 있으며, 특정 스레드가 장기간 BLOCKED 상태에 있는지 등을 확인할 수 있습니다.
  3. Thread Dump 생성 및 분석: 문제가 되는 시점에서 Thread Dump를 생성하여 각 스레드의 상태를 분석합니다.

1-3. Deadlock 탐지

Deadlock은 서로 다른 스레드가 서로가 점유한 리소스를 기다리는 상황에서 발생합니다. 이를 확인하는 방법은 다음과 같습니다.

  1. Thread Dump 분석: Thread Dump에서 “Found one Java-level deadlock” 메시지가 나타난다면 Deadlock이 발생한 상태입니다.
  2. JVisualVM 및 JMC 사용: 두 도구 모두 Deadlock을 탐지할 수 있으며, 이를 시각적으로 보여줍니다.

1-3-1. Thread Dump 실습

이제 Thread Dump를 생성하고 간단한 예제를 통해 특정 스레드가 BLOCKED 상태에 있는 상황을 일부러 발생시켜 보겠습니다.

public class ThreadBlockedExample {
    public static void main(String[] args) {
        Object lock = new Object();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                try {
                    Thread.sleep(10000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("Thread 2");
            }
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

위 코드를 실행하면 thread2가 lock을 기다리는 상태에서 BLOCKED 상태에 머물게 됩니다. 이 상태를 Thread Dump를 통해 확인해보겠습니다.

  1. Thread Dump 생성 
     # PID 확인
 ps aux | grep java
   
 # Thread Dump 생성
 jstack <PID>

    TODO - 위 코드를 실행한 이미지 추가

  2. Thread Dump 분석
    • Thread Dump에서 thread2의 상태 확인
    • thread2가 BLOCKED 상태에 있는 것을 확인할 수 있습니다.
    • thread1이 lock을 10초 동안 점유하고 있기 때문에 thread2는 lock을 얻을 수 없어 BLOCKED 상태에 머물게 됩니다.
    • 이러한 상황을 해결하기 위해서는 thread1이 lock을 빨리 해제하도록 수정해야 합니다. TODO - Thread Dump 이미지 추가

이처럼 Thread Dump를 통해 스레드의 상태를 확인하고, 문제가 되는 상황을 파악하여 해결할 수 있습니다.

1-3-2. JVisualVM 및 JMC 사용 실습

JVisualVM과 JMC(Java Mission Control)는 Java 애플리케이션의 스레드 상태를 실시간으로 관찰하고, Deadlock과 같은 문제를 시각적으로 탐지할 수 있는 도구입니다. 아래에서는 두 도구를 활용하여 Deadlock을 탐지하는 실습을 진행해 보겠습니다.

1-3-2-1. JVisualVM을 사용한 Deadlock 탐지

준비 사항

  • JVisualVM 설치: OpenJDK와 함께 제공되거나 JVisualVM 공식 사이트에서 다운로드할 수 있습니다.
  • 위의 ThreadBlockedExample 코드 실행 준비.

실습 과정

  1. JVisualVM 실행 및 프로세스 선택
    • JVisualVM을 실행합니다.
    • 좌측 패널에서 실행 중인 Java 애플리케이션(ThreadBlockedExample)을 선택합니다.
  2. Thread 상태 관찰
    • Threads 탭을 클릭합니다.
    • 현재 실행 중인 모든 스레드의 상태를 확인할 수 있습니다.
    • Deadlock이 발생하면, JVisualVM에서 BLOCKED 상태의 스레드가 시각적으로 표시됩니다.
  3. Thread Dump 생성
    • Thread Dump 버튼을 클릭하여 Thread Dump를 생성합니다.
    • 생성된 덤프에서 Deadlock 메시지를 확인합니다.
    • 메시지 예
        Found one Java-level deadlock:
  =============================
  "Thread-2":
    waiting to lock <0x00000000> (a java.lang.Object),
    which is held by "Thread-1"
  "Thread-1":
    waiting to lock <0x00000001> (a java.lang.Object),
    which is held by "Thread-2"
  4. 분석 결과
    • Thread-1과 Thread-2가 서로 잠금(lock)을 기다리며 Deadlock 상태에 빠졌음을 확인할 수 있습니다.
1-3-2-2. JMC(Java Mission Control)를 사용한 Deadlock 탐지

준비 사항

  • JDK 설치 시 포함된 JMC 사용 가능 (Oracle JDK 또는 OpenJDK).
  • jcmd 명령어 사용을 위한 Java 설치.

실습 과정

  1. JMC 실행 및 연결
    • JMC를 실행한 뒤, 좌측 상단에서 실행 중인 Java 프로세스(ThreadBlockedExample)를 선택하여 연결합니다.
  2. Thread 상태 확인
    • Threads 탭을 선택하여 모든 스레드의 상태를 확인합니다.
    • BLOCKED 상태의 스레드가 있는지 모니터링합니다.
  3. Flight Recorder 활성화
    • JMC의 Flight Recorder 기능을 사용하여 애플리케이션의 성능 데이터를 기록합니다.
    • 기록된 데이터를 통해 Deadlock 및 기타 병목 현상을 분석합니다.
  4. Deadlock 탐지
    • Thread Dump를 생성하여 Deadlock 메시지를 확인합니다.
    • GUI를 통해 Deadlock 상태에 빠진 스레드와 점유 중인 리소스를 시각적으로 탐색할 수 있습니다. TODO - JMC 활용 이미지 추가
1-3-2-3. 결과 분석 및 문제 해결
  • JVisualVM과 JMC 모두 Deadlock 상태를 탐지하고 상세히 분석할 수 있는 강력한 도구입니다.
  • 문제를 해결하려면 다음과 같은 접근법을 고려합니다:
    • 잠금 순서 재설계: synchronized 블록이 서로 교차하지 않도록 순서를 정리합니다.
    • ReentrantLock 사용: tryLock 메서드로 Deadlock을 방지합니다.
    • 스레드 작업 분리: 리소스를 독립적으로 처리하도록 설계합니다.

TODO - 해결과정 이미지 첨부



Outro

오늘은 Java 애플리케이션의 성능 최적화를 위한 스레드 문제 분석 및 Deadlock 탐지 방법을 살펴보았습니다.
Thread Dump 생성부터 프로파일링 도구 사용, 그리고 Deadlock 해결 방법까지, 실무에서 바로 활용할 수 있는 내용을 중심으로 설명드렸는데요,
이를 통해 Java 애플리케이션의 성능 문제를 보다 효과적으로 해결할 수 있을 거에요. 추가해야될 테스트 이미지들은 천천히 캡처해서 올려두겠습니다. 먼저 활용할 분들은 활용해보세요~

다음에는 MultiLock에 대해 공부해볼 예정입니다. 최적화 주제와 실습 사례를 다룰 예정이니 많은 기대 부탁드립니다.

긴 글 읽어주셔서 감사합니다! 😊