ライブロック

2025年11月17日

ライブロック

英語表記: Livelock

概要

ライブロック（Livelock）とは、並行・並列処理環境における同期制御の失敗によって発生する一種の並行バグです。複数のプロセスやスレッドが、お互いに資源を譲り合おうと試み、その結果として状態を絶えず変化させ続けるにもかかわらず、最終的な処理の完了に向けて一切の進展が得られない状態を指します。これは、スレッドが停止して待ち続けるデッドロック（Deadlock）とは異なり、スレッド自体は稼働し続けている点が非常に厄介な特徴となっています。

詳細解説

並行・並列処理におけるライブロックの位置づけ

このライブロックという概念は、「並行・並列処理（マルチスレッド, GPU並列）」の分野において、「同期制御と安全性」を確保しようとする過程で発生する「並行バグ」として位置づけられます。システムが複数のタスクを同時に処理する際、共有資源へのアクセスを調整するために同期制御（排他制御）を用います。ライブロックは、この同期制御が「安全」を過度に追求したり、資源解放のロジックが不完全であったりするために発生する、システムの活性（Liveness）を損なう深刻な問題なのです。

動作原理とデッドロックとの決定的な違い

ライブロックが発生する典型的なシナリオは、資源競合が発生した際に、システムがデッドロックを回避するために導入した「資源の解放と再試行」のロジックが原因となります。

たとえば、スレッドAとスレッドBが同時に二つの資源（資源X、資源Y）を必要としていると仮定します。資源を確保できなかったスレッドは、デッドロックを避けるために礼儀正しく（あるいはプログラムの指示通りに）現在保持している資源を解放し、少し待ってから再試行する、という手順を踏みます。しかし、もしAとBが全く同じタイミングで資源を解放し、全く同じタイミングで再試行を始めた場合、両者は再び同じ競合状態に陥り、無限にこの「解放→待機→再試行」のサイクルを繰り返してしまいます。

デッドロック状態では、スレッドはブロックされ、CPUを使用しなくなります。しかし、ライブロック状態では、スレッドは資源の解放や再試行のための処理を「実行し続けている」ため、CPU使用率は高いまま維持されます。外部から見ると、システムは一生懸命動いているように見えるため、このバグの検出はデッドロックよりも難しいことが多いのです。これは開発者にとって非常に悩ましい点だと感じます。

ライブロックの発生要因

ライブロックは、主に以下の要因によって引き起こされます。

不適切なバックオフ戦略: 競合時に待機する時間（バックオフタイム）をランダム化せず、固定的な時間や単純な指数関数的増加（Exponential Backoff）に頼りすぎると、複数のスレッドが同期して再試行を試みてしまい、衝突が永遠に繰り返されます。
過剰な礼儀正しさ（Politeness）: デッドロックを回避するために「必ず資源を譲る」というルールを厳格に適用しすぎると、両者が同時に譲り合う動作に入り、誰も資源を獲得できない状態が生じます。
状態の連続的な変化: 処理が進展しないにもかかわらず、スレッドの状態変数（例：Waiting, Retrying）が絶えず更新され続けるため、監視システムが「進捗あり」と誤認してしまうことがあります。

このように、ライブロックは、同期制御を実装する際のロジックの甘さや、競合解決アルゴリズムの設計ミスが直接的な原因となる「並行バグ」の典型例だと言えます。

具体例・活用シーン

1. 廊下でのすれ違いのメタファー（初心者向け）

ライブロックを最も分かりやすく説明できるのが、この「廊下でのすれ違い」の例です。ぜひ、この話を覚えておいてください。

状況: 非常に狭い廊下で、AさんとBさんがお互いに向かって歩いてきました。
動作: Aさんは礼儀正しく右側に避けて、Bさんを先に通そうとします。
結果: Bさんもまた礼儀正しく、Aさんを先に通そうとして同時に右側に避けます。
衝突: 結果、二人は中央で再び鉢合わせしてしまいます。
再試行: 申し訳ないと思ったAさんは今度は左に避けようとしますが、Bさんもまた左に避けてしまい、再度衝突します。

AさんとBさんは「進展するために」お互いに動き（状態を変化させ）、CPU時間（体力）を消費していますが、廊下の端から端へ進むという「タスク」は一切達成されていません。これがライブロックの動的な特性を完璧に表しています。

2. データベースのトランザクション競合

リアルなITシステムでは、ライブロックはデータベース管理システム（DBMS）のトランザクション制御や、分散システムのメッセージキュー処理で発生する可能性があります。

問題: トランザクションT1とT2が、同時に複数のレコードに対してロックを取得しようとしました。
デッドロック回避策: DBMSがデッドロックを検出した場合、一方のトランザクション（T1）をロールバックさせ、T2に資源を譲らせるように指示します。
ライブロック発生: T1がロールバックしてすぐに再試行したところ、T2もまた何らかの理由で資源を解放し、両者が同時にロック取得を試み、同じタイミングで衝突し、永遠にロールバックと再試行を繰り返すサイクルに陥ることがあります。

この場合、システムは常にトランザクションを処理し続けているため、ログにはエラーや警告が大量に記録されますが、データは一切更新されません。これはまさに、同期制御のロジックがシステムの「安全性」を守ろうとするあまり、「実用性」を失ってしまった状態です。

資格試験向けチェックポイント

IT資格試験、特に情報処理技術者試験（ITパスポート、基本情報技術者、応用情報技術者）では、ライブロックはデッドロックとの対比で頻出します。

ITパスポート・基本情報技術者レベル:
- 定義の理解: 「処理が停止せず、資源を譲り合いながら活動し続けているが、進捗がない状態」がライブロックであると明確に答えられるようにしてください。
- デッドロックとの比較: デッドロックが「資源待ちで完全に停止（ブロック）している状態」であるのに対し、ライブロックは「資源を解放・再試行し続け、CPUを消費している状態」であるという違いが問われます。この違いは非常に重要です。
応用情報技術者レベル:
- 原因と対策: ライブロックの主な原因が、競合回避のための「再試行ロジックの不備」や「バックオフ時間の不適切な設定」にあることを理解しておく必要があります。
- 検出の難しさ: CPU使用率が高いままであるため、外部からの監視やデバッグが難しいという特性が問われることがあります。
- 上位概念との関連: ライブロックが「同期制御の安全性」を追求した結果生じる「並行バグ」の一種であるという、分類上の位置づけを問われることがあります。