Synchronization

멀티 스레드 환경에서는 여러 스레드가 하나의 공유 자원에 동시에 접근할 때 데이터의 무결성이 깨지는 경쟁 상태(Race Condition)가 발생할 수 있다.

synchronized를 이용한 동기화

Java는 synchronized 키워드를 통해 객체의 모니터를 이용하여, 가장 사용하기 쉽고 안전한 기본적인 동기화 메커니즘을 제공한다.

사용 방법 및 범위

Java는 synchronized 키워드를 통해 임계 영역을 손쉽게 설정할 수 있다.

1. 해당 코드 영역을 임계 영역으로 지정
2. 공유 데이터(객체)가 가지고 있는 잠금을 획득한 단 하나의 스레드만 이 영역 내의 코드를 수행할 수 있게 함
3. 임계 영역을 점유한 A 스레드가 코드 실행 중인 경우, B 스레드는 잠금 해제될 때까지 대기
4. A 스레드가 임계 영역 실행 완료 후 락을 반납하면, B 스레드가 락을 획득하여 코드를 수행

// 1. 메서드 전체를 임계 영역 지정
public synchronized void method() {
    // ...
}

public void method() {
    // 2. 메서드 내의 특정 영역을 임계 영역 지정
    synchronized (this) { // 해당 객체(this)를 잠금의 대상으로 지정
        // ...
    }
}

한계

synchronized는 임계 영역을 손쉽게 지정할 수 있는 장점이 있지만 다음과 같은 단점이 있다.

• 락 획득 대기 시간을 설정할 수 없어 무한 대기 가능성 존재
• 대기 중인 스레드에 인터럽트를 걸 수 없음
• 읽기/쓰기를 구분하는 등 세밀한 제어가 불가능

조건 변수(Condition Variable)

단순히 접근을 막는 것을 넘어 스레드 간에 특정 조건을 기다리고, 조건이 만족되었음을 알려주는 협력 매커니즘이 필요할 땐 Java 모니터의 조건 변수 기능을 사용할 수 있다.

• wait()
  • 임계 영역을 실행하던 스레드가 특정 조건을 만족하지 못했을 때 호출
  • 스레드는 락을 반납하고 WAITING 상태로 전환되어 대기 셋(Wait Set)으로 이동
• notify()
  • 다른 스레드가 특정 조건을 만족시키는 작업을 완료했을 때 호출
  • 대기 셋에 있는 스레드 중 임의의 하나를 깨워 엔트리 셋(락 획득 대기 상태)로 이동
• notifyAll()
  • 대기 셋에 있는 모든 스레드를 깨워 엔트리 셋으로 이동

wait()와 notify() 동작 과정

1. 스레드 A가 락을 획득하고 임계 영역을 실행
2. 조건이 만족되지 않아 스레드 A가 wait()를 호출
3. 스레드 A는 락을 반납하고 대기 셋으로 이동
4. 다른 스레드 B가 락을 획득하고 임계 영역을 실행하여 조건을 만족시킴
5. 스레드 B가 notify()를 호출하고 자신의 작업을 마친 뒤 락을 반납
6. notify() 호출로 깨어난 스레드 A는 대기 셋에서 엔트리 셋으로 이동
7. 스레드 A는 엔트리 셋에서 락 획득을 다시 시도하고, 성공하면 wait()가 호출됐던 지점부터 실행을 재개

synchronized + wait()/notify() 사용 예시

스레드가 깨어났을 때 조건이 여전히 유효한지 재검사해야 하므로 if 대신 while 문을 사용해야 한다.

class SharedBuffer {

    private final Queue<String> queue = new LinkedList<>();
    private final int CAPACITY = 5;

    public synchronized void produce(String data) throws InterruptedException {
        // 버퍼가 가득 찼으면 대기 (while 루프 사용 필수)
        while (queue.size() == CAPACITY) {
            wait();
        }
        queue.add(data);
        notifyAll(); // 대기 중인 소비자들을 모두 깨움
    }

    public synchronized String consume() throws InterruptedException {
        // 버퍼가 비었으면 대기 (while 루프 사용 필수)
        while (queue.isEmpty()) {
            wait();
        }
        String data = queue.poll();
        notifyAll(); // 대기 중인 생산자들을 모두 깨움
        return data;
    }
}

또한 특정 스레드만 계속 대기하는 기아 현상을 막기 위해 일반적으로 notifyAll 사용이 권장된다.

ReentrantLock를 이용한 동기화

JDK 1.5부터 제공되는 java.util.concurrent.locks.ReentrantLock은 synchronized의 단점을 보완하고 더 강력한 기능을 제공한다.

주요 기능 및 장점

1. 락 획득 타임아웃 설정 가능
   • tryLock(long timeout, TimeUnit unit) 메서드를 사용하여 락 획득 시도 시간 설정 가능
   • 락 획득 실패 시 다른 로직을 수행하거나 재시도를 하여 데드락을 방지
2. 인터럽트 처리 가능
   • lockInterruptibly() 메서드를 사용하여 락 대기 중에 인터럽트 신호를 감지하여 대기 취소 가능
3. Condition 객체 분리
   • Wait Set을 여러 개로 분리하여 관리 가능
   • 생산자 스레드와 소비자 스레드를 구분하여 깨우는 등 정교한 신호 전달 가능

기존 synchronized와는 다르게 모니터 락이 아닌 직접적인 락 객체를 사용하는 방식으로 동작한다.

특징	synchronized	ReentrantLock
락 타입	모니터 락(JVM 관리)	객체 기반 락 (직접 관리)
타임아웃 지원	미지원	지원 (tryLock)
인터럽트 지원	미지원	지원 (lockInterruptibly)
락 세분화	불가능	가능 (여러 개의 ReentrantLock 인스턴스 사용)
대기/알림 제어	wait() / notify() 메서드로 제한적 제어	Condition 객체를 통한 세부적 제어 가능

ReentrantLock 동작 방식

syncronized 키워드와 유사하게 두 가지 대기 상태를 관리한다.

• ReentrantLock 객체 대기 큐: 락을 획득하려는 스레드 대기 공간
• Condition 객체 스레드 대기 공간: await() 메서드에 의해 대기 중인 스레드 대기 공간

동작 과정은 아래와 같다.

1. 스레드에서 lock() 메서드를 호출하여 락을 획득하려 시도
2. 이미 사용 중인 경우 대기 큐로 이동하여 락을 획득할 때까지 대기
3. unlock() 메서드를 호출하여 락을 반납하면 대기 큐에서 대기 중인 스레드 중 하나가 락을 획득
4. await() 메서드를 호출하면 스레드 대기 공간으로 이동하고 락을 반납
5. 다른 스레드에서 signal() 메서드를 호출하면 스레드 대기 공간에 있는 대기 중인 스레드 중 하나를 깨움
6. 깨어난 스레드는 대기 큐로 이동
7. 락 획득을 시도
8. 성공하면 await()를 호출한 부분부터 다시 실행

ReentrantLock 사용 예시

class PrinterQueue {

    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition notFullCondition = lock.newCondition();
    private final Condition notEmptyCondition = lock.newCondition();

    private final Queue<String> queue = new LinkedList<>();
    private final int maxCapacity;

    public PrinterQueue(int maxCapacity) {
        this.maxCapacity = maxCapacity;
    }

    // 프린트 작업 추가
    public void addPrintJob(String job) {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.size() == maxCapacity) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is waiting to add print job: " + job);
                notFullCondition.await(); // 큐가 가득 찬 경우 대기
            }
            queue.offer(job);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " added print job: " + job);
            notEmptyCondition.signal(); // 큐에 데이터가 추가되었으므로 소비자 알림
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " was interrupted while adding a print job.");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    // 프린트 작업 처리
    public void processPrintJob() {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.isEmpty()) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is waiting for a print job to process.");
                notEmptyCondition.await(); // 큐가 비어 있는 경우 대기
            }
            String job = queue.poll();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is processing print job: " + job);
            notFullCondition.signal(); // 큐에 공간이 생겼으므로 생산자 알림
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " was interrupted while processing a print job.");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

참고자료

• Java의 정석