障害の根本原因を探る

アプリケーションスレッドプール枯渇障害：技術・組織的根本原因分析

はじめに

システム障害は予期せず発生し、サービスの可用性やユーザー体験に深刻な影響を与えます。障害の原因は多岐にわたりますが、アプリケーション内部のリソース枯渇、特にスレッドプールの枯渇は、サービス全体の応答遅延やフリーズを引き起こす典型的な問題の一つです。

この記事では、アプリケーションのスレッドプール枯渇によってサービスが無応答になった障害事例を取り上げ、その技術的な側面だけでなく、背景にある組織的な要因も深く掘り下げて分析します。日々の開発業務の中で障害対応スキルを向上させたい開発エンジニアの方々にとって、具体的な調査方法や再発防止策の参考となる情報を提供できれば幸いです。

障害事象の概要

あるWebアプリケーションで、特定の時間帯にリクエストの応答が著しく遅延し、最終的にはサービス全体が無応答となる事象が発生しました。ユーザーからは「ページが開かない」「操作が全くできない」といった報告が多数寄せられ、ビジネスに大きな影響が出ました。

システムの状態を確認したところ、アプリケーションサーバーのCPU使用率はそれほど高くありませんでしたが、メモリ使用率が徐々に増加傾向にあり、同時に大量のコネクションが確立されたままであることが観測されました。アプリケーションのログには、エラーはほとんど出力されていませんでしたが、処理時間の長いリクエストに関する警告ログが散見されました。

技術的根本原因の分析

この障害の技術的な根本原因を調査するために、いくつかの観点から分析を進めました。

スレッドプールとは

まず、スレッドプールについて簡単に解説します。多くのサーバーサイドアプリケーション、特にJavaなどの言語で構築されたものは、 incoming request（受信リクエスト）や非同期処理を実行するためにスレッドプールを利用します。スレッドプールは、あらかじめ一定数のスレッドを作成しておき、必要に応じて処理を割り当てることで、スレッドの生成・破棄によるオーバーヘッドを削減し、効率的に並行処理を行うための仕組みです。しかし、プール内の全てのスレッドが長時間ブロックされるような状態になると、新しい処理を受け付けられなくなり、サービスが無応答に陥ります。

障害発生時の技術的調査

障害発生時にサービスが無応答になる典型的な原因として、スレッドプールの枯渇が考えられました。これを検証するために、以下の調査を行いました。

1. アプリケーションサーバーのメトリクス確認: CPU、メモリ、ネットワークI/Oだけでなく、スレッド数やガベージコレクションの状況を確認しました。その結果、アクティブなスレッド数が上限に張り付いていることが判明しました。
2. スレッドダンプの取得と分析: アプリケーションプロセスからスレッドダンプ（例: Javaであればjstackコマンド）を取得しました。スレッドダンプは、特定の瞬間に各スレッドがどのような処理を実行しているかを示す貴重な情報です。ダンプを分析したところ、多くのスレッドが特定の外部サービスへのHTTPリクエストの完了待ちで長時間ブロックされている状態であることが確認できました。
3. ログの分析: アプリケーションログやミドルウェアのログを詳細に分析しました。特定の外部サービスへのリクエストに関連するエラーやタイムアウトが頻繁に発生していることを示すログが見つかりました。

これらの調査から、技術的な根本原因は以下の複合的な要因であることが特定されました。

• 特定の外部サービス連携処理におけるタイムアウト設定の不備: 外部サービスへのリクエストに適切なタイムアウトが設定されていなかったか、設定されていても非常に長い値になっていました。これにより、外部サービス側の応答が遅れたり、障害で応答が返ってこなかったりした場合に、アプリケーションのスレッドが長時間解放されずにブロックされました。
• 外部サービスの可用性低下: 障害発生時間帯に、連携している外部サービス側で一時的な遅延や障害が発生しており、これがアプリケーション側のスレッド長時間ブロックを誘発しました。
• アプリケーションのスレッドプールサイズ設定: 外部依存処理でのブロッキングを考慮した、十分なスレッドプールサイズになっていませんでした。結果として、外部サービスの遅延に起因する少数のスレッドブロックが、システム全体のスレッド枯渇に繋がりました。

組織的根本原因の分析

技術的な問題が明らかになった上で、次に「なぜそのような技術的問題が発生したのか」という組織的、プロセス的な側面から根本原因を掘り下げました。

• 外部依存サービスに関するリスク評価・SLA考慮の不足: システム設計段階で、連携する外部サービスの可用性リスクや、そのサービスが遅延・停止した場合の影響について十分に評価・検討されていませんでした。依存先のSLA（Service Level Agreement）やエラーハンドリング戦略が明確でなかったため、適切なタイムアウト設定やリトライロジックの実装が漏れていました。
• 負荷テストにおける外部依存の考慮不足: システム全体の負荷テストを実施する際、外部サービス連携部分を適切にモック化するか、あるいは外部サービスの性能劣化をシミュレーションするなどのテストケースが不足していました。これにより、実稼働環境で外部サービスに問題が発生した場合のアプリケーションの挙動を事前に把握できていませんでした。
• 構成管理・レビュープロセスの不備: スレッドプールサイズのような重要なミドルウェア設定や、外部連携処理におけるタイムアウト設定が、十分なレビュープロセスを経ずに適用されるケースがありました。コードレビューにおいても、ブロッキングI/Oを含む外部連携処理に対する非同期化やエラーハンドリングの観点が弱かった可能性があります。
• 監視設計の不足: アプリケーションのスレッド数や、外部サービス連携処理の応答時間といった重要なメトリクスに対する詳細な監視設定やアラートが不十分でした。これにより、スレッド枯渇の前兆となる応答遅延やスレッド増加トレンドを早期に検知できませんでした。

再発防止策

技術的・組織的な根本原因を踏まえ、以下の再発防止策が策定されました。

技術的対策

• 外部連携処理のタイムアウト設定の徹底: 全ての外部サービス連携について、適切なコネクションタイムアウトおよび読み取りタイムアウトを設定しました。これにより、外部サービスの応答遅延によってスレッドが無限にブロックされることを防ぎます。
• 非同期処理の導入: 外部サービス連携のように応答待ちが発生しうる処理は、可能であれば非同期I/Oや非同期フレームワーク（例: JavaにおけるCompletableFuture, Reactive Streamsなど）を利用するようにリファクタリングを進めました。これにより、I/O待ちの間もスレッドを他の処理に利用できるようになります。
• サーキットブレーカーパターンの適用: 外部サービスへのリクエストが一定回数失敗したり遅延したりした場合に、それ以降のリクエストを一時的に遮断するサーキットブレーカーパターンを導入しました。これにより、障害が発生している外部サービスへの無駄なリクエストを避け、アプリケーション側のリソース枯渇を防ぎます。
• スレッドプール設定の最適化と管理: アプリケーションのスレッドプールサイズを、想定される最大負荷と外部依存処理の特性（ブロッキングの可能性など）を考慮して再評価し、必要に応じて調整しました。これらの設定値は構成管理の対象とし、変更時には必ずレビューを実施するようにしました。
• 詳細なメトリクス監視の強化: アプリケーションのスレッド数（アクティブ数、キュー数）、外部サービス連携処理ごとの応答時間、エラー率などのメトリクスを詳細に収集し、Grafanaなどのツールで可視化しました。また、これらのメトリクスが異常値を示した場合に早期に検知できるよう、適切な閾値でアラートを設定しました。
• スレッドダンプの自動取得設定: 特定の条件（例: CPU使用率高止まり、スレッド数上限到達）で自動的にスレッドダンプを取得し、分析しやすい場所に保存する仕組みを導入しました。これにより、障害発生直後の重要な状態を捉えやすくなります。

組織的対策

• 外部依存サービスに関するガイドライン策定: 新規システム開発や既存システム改修において、外部サービスに依存する場合のリスク評価、SLA確認、エラーハンドリング、タイムアウト設定に関する標準的なガイドラインを策定し、開発チーム全体に周知しました。
• 負荷テストプロセスの改善: 負荷テスト計画に、外部依存サービスの挙動（遅延、エラー）をシミュレーションするテストケースを必須項目として追加しました。また、現実的なユーザーシナリオに基づいたテスト負荷を設計する体制を強化しました。
• コードレビュー・設計レビューのチェックリスト更新: コードレビューおよび設計レビューの際に、非同期処理の利用状況、タイムアウト設定、エラーハンドリング、リソース（スレッド、コネクションなど）の適切な利用に関するチェックリストを追加・更新しました。
• 障害対応フローとトレーニングの強化: スレッド枯渇などの特定パターンの障害に対する調査手順（スレッドダンプの取得・分析方法など）を明文化し、障害対応ドキュメント（Playbook）に追記しました。また、定期的に障害対応トレーニングを実施し、特に若手エンジニアが適切な手順で調査を進められるようにスキルアップを図りました。
• ナレッジ共有文化の醸成: 発生した障害事例について、技術的・組織的な根本原因と再発防止策をチーム内外で積極的に共有する仕組み（例: 定期的な振り返り会議、社内ブログでの情報発信）を強化しました。

まとめ

アプリケーションのスレッドプール枯渇によるサービス無応答障害は、単一の技術的な問題だけでなく、外部依存への考慮不足、テストプロセスの不備、構成管理の甘さ、監視の不足といった組織的な要因が複合的に絡み合って発生することが多いです。

このような障害を防ぎ、発生時の影響を最小限に抑えるためには、アプリケーションコードレベルでの適切な並行処理・エラーハンドリングの実装はもちろん、システム設計におけるリスク評価、厳格なテストとレビュープロセス、そして継続的な監視と改善が不可欠です。

今回の事例分析が、読者の皆様がご自身のシステムで起こりうる障害の根本原因を探り、より堅牢なシステムを構築・運用するための一助となれば幸いです。システム障害から学び、技術と組織の両面から改善を続けることが、安定したサービス提供への道であると言えるでしょう。