쓰레드 동기화 (sync, volatile, AtomicClass)

쓰레드의 동기화 : 한 쓰레드가 진행중인 작업을 다른 쓰레드가 간서하지 못하게 하는 것.

 

쓰레드는 class의 멤버 변수(자원)을 사용한다. 멀티쓰레드 환경에서는 쓰레드 동기화를 하지않으면, 심각한 문제가 생길 수 있다.

이런 상황이 있을 때, 동기화하지 않으면 심각한 문제를 만들 수 있다.

 

#자바의 synchronized 키워드

자바는 synchronized 키워드를 사용하여 해당 메서드를 임계영역으로 만들 수 있게 해준다. 임계영역에서는 동시에 한 쓰레드만 접근해서 사용할 수 있도록 다른쓰레드의 접근을 막는다(lock) 

• synchronized 메서드를 사용한다.
• synchronized block을 만들어 일부만 동기화처리한다. (성능 향상을 위함)

public synchronized void method() {
	// 임계영역
}

public void function() {
    synchronized(객체의 참조변수) {
        // 임계영역
    }
}

synchronzied는 다수의 쓰레드에게 공유되는 객체 접근을 통제하는 자바의 첫번째 동기화 메카니즘이었다. 하지만 이것만으로는 다양한 상황에 대처하기 힘들었기에 Java5 에 Concurrent 관련 클래스들을 추가하였다.

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# Atomic 클래스 (java.concurrent.atomic)

키워드 말고도 자바에서는 CAS(compare and swap) 방식으로 스레드 안정성을 보장하는 Atomic 패키지를 제공한다.

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

private AtomicInteger counter = new AtomicInteger();

public int getNextUniqueIndex() {
    return counter.getAndIncrement();
}

CAS 방식은 자신이 읽었던 변수의 값을 기억하고 있다가 변경을 완료하기 직전에 읽었던 변수의 값이 그대로인지 확인하고 아니라면 실행을 무산시키는 방식이다.

 

 // C언어로 구현한 CAS
 int compare_and_swap(int* reg, int oldval, int newval){ 
 // 변경전 값을 저장해뒀다가, 편집 완료 후에도 메모리에 기존 값이 남아있어야 swap하는 방식.
    int old_reg_val = *reg;
    if (old_reg_val == oldval){
        *reg = newval;
    }
     return old_reg_val;
}

 

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# volatile (볼라틸) 키워드

volatile 키워드는 자바 변수를 CPU 캐시가 아닌 '메인 메모리에 저장'할 것을 명시해 변수의 가시성을 보장한다.

 

즉 volatile은 변수의 읽기/쓰기 명령을 메인 메모리로부터 수행한다는 것을 보장한다. 이는 읽기 스레드와 쓰기 스레드가 함께 동작했을 때 일어나는 문제를 해결하는 방법이다

 

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@ 왜 읽기 / 쓰기를 같이하면 문제가 생기는 걸까?

CPU에서 데이터를 읽을 때, 성능을 향상시키기 위해 Main Memory에서 계속 읽는 것이 아니라 각 CPU 코어의 캐시에 저장하여 사용한다. 그렇다면 멀티스레드를 사용하는 앱에서, CPU 코어가 여러개라면 어떻게 될까?

이렇게 일반 변수(non-volatile)에 대한 작업은 JVM이 메인 메모리로부터 CPU 캐시를 통해 변수를 읽거나 반대로 CPU 캐시로 부터 메인 메모리에 데이터를 쓰거나 할 때 어떠한 동기화 보장도 해주지 않는다.

 

예를 들어 둘 이상의 쓰레드가 다음과 같은 공유 객체로 접근하는 경우를 생각해보자.

// Thread-1 : counter 변수를 수정함. (+1씩 증가시킴)
// Thread-2 : counter 변수를 읽음

public class SharedObject {
    public int counter = 0;
}

만약 volatile 키워드를 선언하지 않는다면, counter 변수가 언제 CPU 캐시에서 메인메모리로 이동될지 보장할 수 없다. 즉 멀티코어 CPU의 경우 같은 변수임에도 다른 값을 가지고 있을 수 있다는 말이다. 이렇게 쓰레드가 변경한 값이 메인 메모리에 반영되지 않아 다른 스레드가 해당 값을 볼 수 없는 문제를 '가시성 문제' 라고 한다.

여기에서 다음과 같이 volatile 키워드를 사용하게된다면 해당 변수에 대한 쓰기 작업은 캐시없이 바로 메인 메모리에 이루어진다. 즉 다른 쓰레드의 쓰기 작업에 대한 가시성을 보장한다.

 

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@ JDK1.5 이후의 volatile

참고로 JDK1.5 부터는 volatile 키워드는 단순히 가시성을 보장하는 것보다 더 많은 기능을 제공하도록 바뀌었다.

https://parkcheolu.tistory.com/16

자바 volatile 키워드

 

• volatile 변수를 수정 할 때 현재까지 수정한 모든 변수들이 메인메모리에 저장(flushed)된다.
• volatile 변수를 캐시로 읽어들일 때 앞에서 같이 저장한 변수들도 같이 읽는다.

 

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@ 그럼 volatile이 무조건 좋은건가요?

volatile은 한 변수를 두고 오직 한 쓰레드만 읽기/쓰기 작업을 하고, 다른 쓰레드들은 읽기 작업만 한다면 사용했을 때 논블로킹 멀티쓰레드를 구현할 수 있다. 하지만 이 경우가 아니라면 말이 달라진다.

 

volatile 선언은 변수에 접근하는 쓰레드들을 블록시키지 않는다. 그래서 공유 변수를 여러 쓰레드가 동시에 쓰는(write) 임계영역에 대해서 명령이 무시될 가능성이 있다. 즉 해당 명령의 원자성을 보장을 보장하지 않는데, 이런 경우에는 synchronized 키워드가 필요하다. 만약 synchrozined 로 기능이 부족하다면 위에서 언급한 java.util.concurrent에 있는 Atomic 클래스들을 사용하면 된다. 

 

또한 volatile 때문에 CPU 캐시를 쓰지 못해서 성능이 떨어질 가능성이 있고, JVM의 코드 재정리, 최적화도 해당 키워드 때문에 동작하지 않을 수 있음을 유의하자.