[Java] 동기화 - synchronized와 volatile, Atomic Class에 대하여.

0.🚶들어가며

자바 스레드에 대해 공부하다 동기화 관련 개념들을 알게 되었고 이 부분을 처음 접했을 때 혼란스러울 정도로 헷갈렸습니다,, 각 키워드에 대해 알 것 같다가도 다시 보면 헷갈리는 그런 상황이 반복되었습니다. 

많은 내용의 글을 보다가 effective java에 나온 동시성 관련 챕터가 가장 도움이 됐던 것 같아 이를 부분적으로 인용하며 관련 개념들에 대해 글을 써보려 합니다. 각 개념의 자세한 내용이나 사용법에 대해서는 자료들이 많아 제 글에서는 다루지 않을 것이고 제가 헷갈렸던 세 개념 간의 차이를 활용 예시를 사용해 소개해볼까 합니다.  

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1.👫synchronized

synchronized 키워드는 메서드나 블록을 한 번에 한 스레드만 수행하도록 보장해줍니다. 동기화의 대표적인 기능인 배타적 실행이죠. 하지만 동기화에는 사실 두 가지 기능이 있습니다. 

• 배타적 실행(원자성)을 보장한다.
• 한 스레드가 만든 변화를 다른 스레드에서 확인할 수 있게 해준다.(스레드 간 통신, 가시성)

두 번째 기능이 낯설수도 있습니다. Visibility라고도 불리는 개념인데 이는 스레드 사이의 안정적인 통신을 위해 꼭 필요합니다.

 

코드를 살펴보도록 하죠.

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Test {
    private static boolean stop;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            int i = 0;
            while(!stop)
                i++;
        });
        t.start();

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

위 코드를 살펴보면 1초가 지난 뒤 stop = true로 바뀌어 프로그램이 종료될 수 있을 것 같습니다.

 

하지만 실행시켜보면 예상대로 작동하지 않죠.. 원인은 바로 동기화 때문입니다.

 

stop을 바꾸는 건 main 스레드인데 언제쯤에서야 t 스레드가 바뀐 stop을 visible 할지 모릅니다. 이외에도 JVM의 코드 최적화로 인해 생각과 다르게 코드가 변경될 수도 있습니다. 따라서 아래와 같은 코드로 동기화 처리를 해주어야 합니다.

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Test {
    private static boolean stop;

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

    private static synchronized boolean isStop(){
        return stop;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            int i = 0;
            while(!isStop())
                i++;
        });
        t.start();

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

바뀐 부분은 6 ~ 12 라인과 while의 조건문, 23 라인입니다. stop 필드를 다루는 메서드를 동기화하면 원하는 결과를 얻을 수 있게 되죠.

 

requestStop메서드와 isStop메서드는 사실 동기화 없이도 원자적으로 동작합니다. 

 

따라서 위 예시는 동기화의 기능 두 번째인 스레드 간 통신을 위해 동기화 처리를 한 예시라고 볼 수 있습니다.

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2.🗻volatile

synchronized 키워드는 상당히 비용이 드는 코드입니다. 모든 코어가 해당 메모리를 일관되게 바라보는 지연시간이 멀티 코어 환경에서 굉장히 낭비입니다. 또한 synchronized 키워드는 가상 머신의 최적화도 방해하죠.

 

따라서 동기화 목적 중 스레드 간의 통신만이 목적이라면 volatile 키워드를 고려해볼 수 있습니다. volatile 키워드를 변수 앞에 붙이게 되면 코어마다 있는 캐시가 아닌 메모리에서 직접 읽고 씁니다. 따라서 volatile 키워드는 항상 가장 최근에 기록된 값을 읽게 됨을 보장합니다. 배타적 수행과는 관련이 없지만 말이죠.(long이나 double의 경우 volatile 키워드가 원자성을 보장하기도 함.) 또한 volatile 키워드는 lock-free 하기 때문에 성능면에서도 더욱 좋습니다.

 

위에서 소개한 코드는 배타적 수행과는 딱히 관련이 없으니 volatile 키워드로 바꿔보겠습니다.

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Test {
    private static volatile boolean stop;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            int i = 0;
            while(!stop)
                i++;
        });
        t.start();

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

위와 같이 수정해주면 원하는 결과를 얻을 수 있습니다.

 

하지만 volatile 키워드는 배타적인 수행, 원자적인 수행과는 거리가 좀 있습니다. 만약 lock-free 하면서 원자적인 수행을 하고 싶다면 어떻게 해야 할까요?

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3.🍎Atomic Class

 

java.util.concurrent.atomic (Java Platform SE 7 )

java.util.concurrent.atomic 패키지에는 lock-free 하면서도 thread-safe 한 기능을 지원하는 클래스들이 있습니다. 이름부터 원자성을 보장할 것만 같네요. AtomicLong, AtomicInterger Class 등이 atomic package에 있는 대표적인 클래스입니다.

 

Atomic Class들은 어떻게 lock-free 하면서도 원자성을 보장할까요? 관련 개념인 CAS 알고리즘에 대해 살펴보겠습니다.

# CAS(Compare And Swap) 알고리즘

CAS 알고리즘

CAS 알고리즘의 동작 원리는 다음과 같습니다.

• 인자로 기존 값과 변경할 값을 전달한다.
• 기존 값이 현재 메모리가 가지고 있는 값과 같다면 변경할 값을 반영하며 true를 리턴한다.
• 기존 값이 현재 메모리가 가지고 있는 값과 다르다면 값을 반영하지 않고 false를 리턴한다.

위 동작 원리를 보면 드는 의문이 있을 것입니다. 기존 값과 현재 메모리가 가지고 있는 값이 다른 상황이 있나?라고 생각할 수 있습니다. Atomic은 배타적인 실행을 lock을 거는 방식을 사용하여 보장하지 않습니다. 따라서 스레드 A가 공유 변수에 대해 계산을 하고 메모리에 반영하려는데 그 사이에 다른 스레드가 공유 변수를 변경한 경우가 있을 수 있습니다. 이때 스레드 A는 자신의 계산 값을 메모리에 반영하면 안 됩니다. 최신 값이 아닌 걸 가지고 계산한 셈이 되기 때문이죠. 따라서 false를 반환한 경우 무한 루프를 통해 계산을 다시 시작합니다.  

 

위와 같은 방식으로 Atomic Type은 동기화의 두 가지 기능을 모두 제공해줍니다.

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4.💨나가며

자바의 동기화 처리에 대해 공부하면서 가장 도움이 됐던 문장은 "동기화는 두 가지 기능을 제공한다."였습니다. 이것이 정리되어있지 않은 상태에서 여러 글들을 살펴보니 각 방식의 장단점은 물론, 방식마다 어떤 차이가 있고 어떻게 활용해야 할 지도 감이 잘 안 왔습니다.

 

해당 문장을 잘 살펴보시고 동기화 처리 방식에 대해 좀 더 알아보신다면 도움이 되실 것 같습니다.

 

또한 자바의 동시성 처리는 깊이 들어가면 끝없이 공부해야 할 것 같다는 생각을 했습니다. 동시성 처리하는 방식도 다양하며 주의해야 할 점, 다양한 동시성 유틸리티 등 방대한 내용이 있어 추후 필요하다고 생각이 들 때 깊이 공부해보고 다시 정리해보도록 하겠습니다.