[Effective Java] 78.공유 중인 가변 데이터는 동기화해 사용하라

synchronized 키워드

해당 메서드나 블록을 한번에 한 스레드씩 수행하도록 보장

 

 

동기화의 기능

1) 배타적 실행

• 한 스레드가 변경하는 중이라서 상태가 일관되지 않을 때 객체를 다른 스레드가 보지 못하게 막는 것
• 객체를 하나의 일관된 상태에서 다른 일관된 상태로 변화 : 한 객체가 일관된 상태를 가지고 생성 → 객체에 접근하는 메서드는 그 객체에 락(lock)을 걸음 → 락을 건 메서드는 필요하면 객체를 수정

2) 스레드 사이 안정적인 통신

• 동기화 없이는 한 스레드가 만든 변화를 다른 스레드에서 확인하지 못할 수 있다.
• 변경된 데이터의 최종 결과 값을 읽을 수 있게 한다.

 

 

원자적 (atomic)

• 자바에서 long / double 외 변수를 읽고 쓰는 동작은 원자적이다. (동기화 없이도 항상 어떤 스레드가 정상적으로 저장한 값을 온전히 읽어옴을 보장함)
• 원자적 데이터를 읽고 쓸 때는 동기화가 필요 없는거 아닌가? → 스레드가 필드를 읽을 때 수정이 완전히 반영된 값을 얻는다고 보장하지만, 한 스레드가 저장한 값이 다른 스레드에게 보이는가는 보장하지 않음 (동기화는 배타적 실행 뿐 아니라 스레드 사이의 안정적인 통신에 꼭 필요)

 

 

다른 스레드를 멈추는 방법

다른 스레드를 멈추는 Thread.stop()은 deprecated API로 지정되었으니 사용하지 말자.

 

1) synchronized

자신의 boolean 필드를 두고 false로 초기화한 후 반복문을 돌게 만든다. 그리고 다른 스레드에서 해당 스레드를 멈추게 하고 싶은 경우에 true로 초기화하게 만들어 멈추게 하자.

public class StopThread {
  private static boolean stopRequested; // false 초기화
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

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

        // 1초 뒤에 저 스레드를 멈추게 하자.
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    stopRequested = true;
  }
}

위 코드는 무한 루프를 돌게 된다.

동기화의 두번째 기능인 스레드간의 통신을 생각하지 않았기 때문 → 동기화하지 않으면, 메인 스레드가 수정한 값을 백그라운드 스레드가 언제쯤에 보게 될 지 보증할 수 없다.

//synchronized 사용해 동기화시키자.

public class StopThread {
  private static boolean stopRequested;

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

    // 읽기 메서드
  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();
  }
}

위 코드는 synchronized를 사용하여 동기화 시켰다.

쓰기와 읽기 모두가 동기화되어야 동작을 보장한다.

 

 

2) volatile 으로 선언

• 필드를 volatile로 선언하면 동기화를 생략해도 된다.
• volatile 한정자는 배타적 수행과는 상관없지만 항상 가장 최근에 기록된 값을 읽게 됨을 보장한다.

public class StopThread {
    // volatile 사용
  private static volatile boolean stopRequested;

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

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

• 멀티 스레드 환경에서는 원래 성능 향상을 위해 변수 데이터들을 메인 메모리가 아닌 CPU cache 에 저장하고 활용한다. 그런데 volatile 필드는 멀티 스레드 상황에서도 메인 메모리에 데이터를 저장하고 읽기에 같은 값을 가질 수 있었던 것이다.
• volatile 주의점

private static volatile int nextSerialNumber= 0;

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

• 안전 실패 오류 : 한 스레드가 저장하기 이전에 읽어버리면 스레드 간 nextSerialNumber 이 중복된 값이 된다.
• 메서드에 synchronized를 붙이고 volatile을 제거하여 해결할 수 있다.

 

 

동기화를 지원하는 클래스

• java.util.concurrent.atomic 패키지의 AtomicLong을 사용해보자. 이 패키지에는 락 없이도 스레드 안전한 프로그래밍을 지원하는 클래스들이 있다.
• volatile은 동기화의 두번째 기능 (스레드 간 안전 통신)만 지원하지만, 이 패키지는 배타적 실행까지 지원
• 성능도 기존 동기화 버전보다 좋음

 

 

동기화 문제를 피하는 방법

• 애초에 가변 데이터를 공유하지 않는 것 (가변 데이터는 단일 스레드에서만 사용하도록)
• 사용하려는 프레임워크와 라이브러리가 스레드를 수행하는 지 잘 인지하도록 하자.
• 안전 발행 : 한 스레드가 데이터를 수정한 후 다른 스레드에 공유할 때 해당 객체에서 공유하는 부분만 동기화해도 된다.

 

 

결론

• 여러 스레드가 가변 데이터를 공유한다면 그 데이터를 읽고 쓰는 동작은 반드시 동기화해야함
• 이에 실패하면 응답 불가 상태에 빠지거나 안전 실패로 이어짐
• 배타적 실행은 필요 없고 스레드끼리 통신만 필요하다면 volatile 한정자만으로 동기화 가능