TIL

아이템 78. 공유 중인 가변 데이터는 동기화해 사용하라

synchronized 두 가지 역할

synchronized 키워드에는 두 가지 역할이 있다.

한 스레드가 변경 중이라서 상태가 일관되지 않은 순간의 객체를 다른 스레드가 접근하지 못하게 막기 (베타적 실행)
동기화된 메서드나 블록에 들어간 스레드가 같은 락의 보호 하에 수행된 이전 수정의 최종 결과를 보게 함 (스레드 사이의 안정적인 통신)

언어 명세상 long, double 외의 변수를 읽고 쓰는 동작은 원자적이기 때문에 여러 스레드가 같은 가변 변수를 읽고 써도 어떤 스레드가 저장한 값을 정상적으로 읽어 올 수는 있다.

하지만 자바 언어 명세에서는 한 스레드가 저장한 값이 다른 스레드에게 ‘보이는가’까지는 보장하지 않는다. 즉 스레드 사이의 안정적인 통신이 되지 않는다는 말이다.

스레드 간 안정적 통신이 실패하는 경우

public class StopThread {
	private static 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;
	}
}

위 코드는 stopRequested = true가 실행되는 1초 뒤에는 프로그램 실행이 끝날 것처럼 보이지만 사실은 끝나지 않는다.

동기화하지 않으면 메인 스레드가 수정한 값을 백그라운드 스레드가 언제쯤에나 보게 될지 보증할 수 없다.

synchronized로 해결

synchronized 키워드로 stopRequested를 true로 바꾸는 메서드와 읽는 메서드를 동기화해주면 1초 뒤에 정상 종료되는 프로그램이 된다.

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

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

위 코드처럼 쓰기와 읽기 모두 동기화가 되어야 동작을 보장한다.

volatile로 해결

속도가 더 빠른 대안이 존재한다.

public 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 키워드를 사용하면 synchronized를 생략해도 된다. volatile은 베타적 수행과는 상관 없지만 항상 가장 최근에 기록된 값을 읽게 됨을 보장한다.

volatile의 문제

private static volatile int nextSerialNumber = 0;

public static int generateSerialNumber() {
	return nextSerialNumber++;
}

위 메서드는 데이터베이스 자동 증가 키값처럼 매번 고유한 값을 반환할 의도로 만들어졌다. volatile 덕분에 원자적으로 접근된다. 하지만 이 코드는 동기화 없이는 올바르게 동작하지 않는다.

++ 연산자는 코드 상으로는 하나지만 실제로 nextSerialNumber 필드에 두 번 접근한다. (값을 읽고, 증가한 값을 저장) 만약 두 스레드가 이 사이를 비집고 들어온다면 두 스레드 모두 같은 값을 반환할 것이다. (이런 오류를 안전 실패(safety failure)라 한다.)

즉 volatile은 스레드 간 안전한 통신은 지원하지만 베타적 실행까지는 지원하지 않는 것이다.

volatile 키워드를 제거하고 메서드에 synchronized를 붙이면 정상적으로 동작하게 된다. 동시에 호출해도 서로 간섭하지 않고 이전 호출이 변경한 값을 일게 된다.

AtomicLong으로 해결

java.util.concurrent.atomic 패키지의 AtomicLong으로도 해결할 수 있다. atomic 패키지에는 락 없이도 스레드 세이프한 프로그래밍을 지원하는 클래스들이 담겨 있다.

private static AtomicLong nextSerialNumber = new AtomicLong();

public static int generateSerialNumber() {
	return nextSerialNumber.getAndIncrement();
}

volatile은 동기화의 두 효과 중 통신 쪽만 지원하지만 이 패키지는 베타적 실행까지 지원한다.

정리

여러 스레드가 가변 데이터를 공유한다면 그 데이터를 읽고 쓰는 동작은 반드시 동기화해야 한다. 동기화하지 않으면 한 스레드가 수행한 변경을 다른 스레드가 보지 못하거나 안전 실패로 인해 원하지 않는 동작을 야기할 수도 있다. 베타적 실행이 필요 없고 안전한 통신만 필요하다면 volatile 키워드로 동기화할 수 있지만 베타적 실행도 필요하다면 synchronized나 atomic 클래스들을 사용하자.

하지만 애초에 가변 변수는 스레드 간 공유하지 않게 설계하는 것이 가장 좋은 방법이다.