Mutable Data Sharing

2024. 3. 7. - Last update: 2025. 2. 20.

공유 중인 가변 데이터는 동기화해 사용하라

synchronized 키워드는 해당 메서드나 블록을 한 번에 한 스레드씩 수행하도록 보장하며, 아래의 특징을 가진다.

한 객체가 일관된 상태를 가지고 생성되었을 때, 해당 객체에 접근하는 메서드는 해당 객체이 Lock을 획득
Lock을 획득한 메서드는 객체의 상태를 확인하거나 변경할 수 있음
메서드 실행이 종료되면 Lock을 해제
동기화 없이는 한 스레드가 객체의 일관성이 깨진 상태를 보게 될 수 있음
- 동기화는 메서드나 블록에 들어간 스레드가 객체의 일관성이 깨진 상태를 보지 못하도록 보장

Java에서 가변 데이터 스레드간 통신

아래 코드는 boolean 필드를 검사하면서 그 값이 true가 아니면 무한 루프를 돌며 값을 증가시키는 코드이다.

class StopThread {

    private static boolean stopRequested;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread backgroundThread = new Thread(() -> {
            int i = 0;
            while (!stopRequested) {
                i++;
                System.out.println(i);
            }
        });

        backgroundThread.start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        stopRequested = true;
    }
}

1초 후 메인 스레드에서 stopRequested 필드의 값을 true로 변경하고 있지만, 실제론 변경된 값을 바로 읽지 못하는 경우가 발생할 수 있다.
** 실행 환경에 따라 1초 후에 바로 종료될 수도 있다.

synchronized 메서드를 이용한 동기화

해당 문제를 해결하기 위해선 stopRequested 필드에 접근하는 메서드를 동기화 하는 방법이 있다.

class StopThread {

    private static boolean stopRequested;

    private static synchronized void requestStop() {
        stopRequested = true;
    }

    private static synchronized boolean stopRequested() {
        return stopRequested;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread backgroundThread = new Thread(() -> {
            int i = 0;
            while (!stopRequested()) {
                i++;
            }
        });

        backgroundThread.start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        requestStop();
    }
}

쓰기(requestStop)와 읽기(stopRequested) 메서드 모두 synchronized 키워드를 사용하고 있는데,
읽기와 쓰기 전부 synchronized 키워드를 사용하지 않으면 동기화가 제대로 이루어지지 않는다.(간혹 잘 동작하는 것 처럼 보일 수 있지만 실제론 그렇지 않다.)

volatile 필드를 이용한 동기화

volatile 키워드를 사용하여 해당 필드를 읽고 쓰는 동작이 항상 메인 메모리에 반영되도록 보장하는 방법이 있다.

class StopThread {

    private static volatile boolean stopRequested;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread backgroundThread = new Thread(() -> {
            int i = 0;
            while (!stopRequested) {
                i++;
            }
        });

        backgroundThread.start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        stopRequested = true;
    }
}

volatile 주의사항

위의 문제는 volatile 키워드를 사용하여 문제를 해결했지만, 해당 키워드는 필드를 읽고 쓰는 통신만 보장하며, 동시성을 보장하지는 않는다.

class AddTest {

    private static volatile int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
                count++;
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
                count++;
            }
        });

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

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println(count); // 1592872
    }
}

위 코드를 실행해보면 2000000이 나와야 할 것 같지만, 실제로는 1592872(2000000이 아닌 값)가 나오는 것을 확인할 수 있다.
이는 volatile 키워드는 해당 필드를 읽고 쓰는 통신만 보장하며, 동시성을 보장하지는 않기 때문이다.

synchronized 블록을 이용한 동기화

처음 나왔던 synchronized 키워드를 사용하여 해당 필드를 읽고 쓰는 통신과 동시성을 보장하는 방법이 있다.

class AddTest {

    private static int count = 0;

    private static synchronized void add() {
        count++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
                add();
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
                add();
            }
        });

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

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println(count);
    }
}

Atomic 클래스를 이용한 동기화

멀티 스레드 환경에서 동기화 문제를 별도의 synchronized 키워드 없이 해결할 수 있는 방법으로 java.util.concurrent.atomic 패키지에 있는 Atomic 클래스를 사용하는 방법이 있다.
(내부적으로 volatile 키워드와 CAS 알고리즘을 사용하여 동시성 문제를 해결하고 있다.)

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

class AddTest {

    private static final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
                count.incrementAndGet();
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
                count.incrementAndGet();
            }
        });

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

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println(count.get());
    }
}

결론

가변 데이터를 공유하는 방법을 다루었지만, 더 복잡한 로직에서는 문제가 어디서 발생할지 예측할 수 없으므로 가변 데이터를 공유하지 않는 방법을 사용하는 것이 가장 좋다.
만약 멀티 스레드 환경에서 가변 데이터를 공유해야 한다면 아래 사항을 주의하자.

해당 데이터를 읽고 쓰는 메서드 전부 synchronized 키워드를 사용하여 동기화
volatile 키워드를 사용하면 통신은 보장되지만, 동시성은 보장되지 않는 것을 주의
가변 데이터가 java.util.concurrent.atomic 패키지에서 제공한다면 해당 클래스를 고려해도 좋음

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