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오늘도 개발을 한다.

[Java] synchronized 알아보기

서론

CS 스터디에서 3월 6일 발표한 synchronized에 대해 정리한 문서를 블로그에 공유하고자 한다.

synchronized 키워드란?

멀티 스레드 환경에서 Java 언어가 공유 자원에 대한 동기화 처리를 위해 사용되는 관용구(idiom)입니다. 이 키워드를 사용해 개발자는 간단하게 경쟁 조건(Race Condition) 을 피할 수 있습니다.
Synchronized 키워드를 사용하게 되면 Java는 내부적으로 모니터(monitor)(모니터 락(monitor lock) 또는 내재적 락(intrinsic lock)이라고도 불림)을 사용해 동기화를 처리합니다.
모니터는 동기화에 필요한 ‘객체 상태에 대한 배타적 액세스 강제’, ‘가시성(visibility)에 필수적인 발생-전(happen-before) 관계 설정’ 과 같은 작업을 수행하는 역할을 합니다.

  • 가시성: 동일한 synchronized 블록에 진입하는 다음 스레드는 이전 스레드가 본 것과 같은 변수 값들을 보게 됩니다.
  • 발생-전(happen-before): 명령어의 순서 변경을 통해 작업 간의 순서 및 가시성을 보장하는 것을 말합니다. 이를 통해 한 스레드에서 변경된 내용이 다른 스레드에 표시될 수 있도록 보장합니다.

모든 객체는 관련된 내재적 락이 존재하고, 관례에 따라 객체의 필드에 독점적이고 일관적이게 접근해야하는 스레드는 ‘내재적 락’을 얻고 접근 후 ‘내재적 락’을 해제해야 합니다.
이러한 모니터는 객체에 바인딩 되므로, 동일한 객체의 모든 synchronized 블록은 동시에 한 스레드만 실행할 수 있습니다.
synchronized 키워드는 메서드 앞에 붙이거나 코드 블럭 중간에 사용할 수 있습니다.

키워드 위치에 따른 의미

인스턴스 메서드 

public synchronized void synchronisedCalculate() {
    setSum(getSum() + 1);
}

메서드 선언 앞에 synchronized 키워드를 붙임으로써 해당 메서드가 동기화 처리 되도록 합니다.
메서드를 소유한 인스턴스에 의해 동기화되므로, 한 인스턴스 당 하나의 스레드만 해당 메서드를 실행할 수 있습니다.

정적 메서드 

 public static synchronized void syncStaticCalculate() {
     staticSum = staticSum + 1;
 }

정적 메서드 앞에 synchronized 키워드를 붙임으로써 해당 메서드가 동기화 처리 되도록 합니다.
해당 메서드를 소유한 클래스의 Class 객체에 의해 동기화됩니다. 클래스 별로 JVM 당 하나의 Class 객체만 존재하므로 인스턴스 갯수에 상관없이 하나의 스레드만 해당 메서드를 실행할 수 있습니다.

코드 블록 

// 인스턴스 메서드 내 코드 블록 synchronized
public void performSynchronisedTask() {
    synchronized (this) {
        setCount(getCount()+1);
    }
}

메서드 중간에 synchronized (obj) 키워드를 사용하므로써 코드 일부를 동기화 할 수 있습니다.
synchronized에 매개변수로 전달되는 객체는 모니터 객체로, 블록 내부의 코드는 해당 객체에서 동기화됩니다. 따라서, 모니터 객체 당 하나의 스레드만 해당 코드 블록 내의 작업을 실행할 수 있습니다.
정적 메서드의 경우, 매개변수로 전달되는 Class 객체에 의해 동기화 됩니다.

// 정적 메서드 내 코드 블록 synchronized
public static void performStaticSyncTask(){
    synchronized (SynchronisedBlocks.class) {
        setStaticCount(getStaticCount() + 1);
    }
}

재진입성(Reentrancy)

스레드가 락을 소유하고 있는 동안, 해당 락을 다시 획득할 수 있습니다.
이렇게 한 스레드가 같은 락을 두 번 이상 획득할 수 있도록 허용하게 되면 재진입 동기화(reentrant synchronization)가 가능합니다.

Object lock = new Object();
synchronized (lock) {
    System.out.println("First time acquiring it");

    synchronized (lock) {
        System.out.println("Entering again");

         synchronized (lock) {
             System.out.println("And again");
         }
    }
}

즉, synchronized 코드가 직접/간접적으로 synchronized 코드가 포함된 메서드를 호출하고, 두 코드가 같은 락을 사용하는 상황이 가능하게 됩니다.
이러한 재진입 동기화 없이는 synchronized 코드는 스레드 스스로를 차단하지 않도록 추가적인 예방 조치를 취해야합니다.

효율적인 코드 작성 측면에서, synchronized는 좋은 키워드일까?

synchronized 키워드는 공유 자원에 대한 여러 스레드의 접근을 제어해 간편하게 동기화 처리가 가능한 유용한 키워드지만, 아래와 같은 단점이 존재합니다.

성능 저하

락을 사용해 한 번에 한 스레드만 코드 블록(또는 메서드 전체)에 접근 가능하므로 다른 스레드들은 해당 코드 블록의 모니터가 필요한 다른 메서드들을 실행하지 못하고 대기해야 합니다. 따라서 멀티-스레드 환경의 이점인 동시성을 잃습니다.
또한, synchronized 코드 실행을 기다리는 동안 블록된 스레드는 중단(interrupt)될 수 없습니다.

데드락

락을 기반으로 동기화를 처리하므로, 둘 이상의 스레드가 락을 획득하고 서로의 락을 얻기위해 무한히 대기하는 데드락이 발생할 수 있습니다.

예상치 못한대로 동작할 수 있음

락을 기반으로 하므로, 락의 기준으로 설정되는 객체에 따라 코드가 예상한대로 동작하지 않을 수 있습니다.
예를 들어 인스턴스 메서드 M1, M2에 synchronized 키워드를 사용했고, 스레드 A,B 가 동작중인 상황이라면 스레드 A가 M1 메서드를 수행하는 동안, B는 M1 메서드 뿐만 아니라 M2 메서드에도 진입할 수 없습니다.

  • 이는 synchronized 인스턴스 메서드 의 락이 인스턴스를 기준으로 하기 때문에 동일한 인스턴스에 대해서 메서드들은 이미 한 synchronized 메서드가 실행 중이라면, 다른 synchronized 메서드 역시 수행할 수 없습니다.

synchronized이외의 다른 동기화 기법

Java에서는 synchronized 키워드 이외에도 동기화를 처리할 수 있는 방법들을 제공하고 있습니다.

락 객체(Lock Object)

락 객체는 기존의 synchronized 블록에서 사용하던 모니터와 유사하지만 보다 정교한 형태입니다.
모니터와 마찬가지로 한 번에 한 스레드만 Lock 객체를 소유할 수 있으며, Lock 객체는 연결된 Condition 객체를 통해 대기/알림(wait/notify) 메커니즘도 지원합니다.

  • 대기/알림(wait/notify): 스레드가 처리할 수 있는 상태면 notify()를 통해 Runnable 상태로, 그렇지 않다면 wait()을 통해 대기 상태로 변경하는 방식.

락 객체를 사용하면, 기존의 모니터와 달리 락을 획득할 수 없는 경우 다른행동을 할 수 있다는 장점이 있습니다.

...
static class Friend {
	private final Lock lock = new ReentrantLock();
	...
	// Lock을 얻고자 시도하는 함수
	public boolean impendingBow(Friend bower) {
		Boolean myLock = false;
		Boolean yourLock = false;
		try {
      // 락 획득 시도
			myLock = lock.tryLock();
			yourLock = bower.lock.tryLock();
		} finally {
			if (! (myLock && yourLock)) {
				if (myLock) {
					lock.unlock();
				}
				if (yourLock) {
					bower.lock.unlock();
				}
			}
		}
		return myLock && yourLock;
	}
	// 메인 행동 함수
	public void bow(Friend bower) {
		if (impendingBow(bower)) {
      // 락 획득에 성공한 경우
			try {
				System.out.format("%s: %s has"
					+ " bowed to me!%n", 
					this.name, bower.getName());
				bower.bowBack(this);
			} finally {
				lock.unlock();
				bower.lock.unlock();
			}
		} else {
      // 락 획득에 실패한 경우
			System.out.format("%s: %s started"
				+ " to bow to me, but saw that"
				+ " I was already bowing to"
				+ " him.%n",
				this.name, bower.getName());
		}
	}

java.util.concurrent.locks 패키지에 인터페이스인 Lock은 물론 ReentrantLock와 같은 구현체도 존재합니다.

Volatile

공유 메모리 환경에서 발생할 수 있는 캐시 일관성 문제를 해결해주는 키워드입니다. 변수에 해당 키워드를 달게되면, 변수에 대한 모든 수정이 즉시 다른 스레드에게 전파됩니다. 이는 Volatile 키워드가 달린 변수는 CPU 캐시가 아닌 메인 메모리에서 읽고 쓰기 때문에 가능합니다.

private volatile static int number;

synchronized 코드 블록과 달리, 한 번에 여러 스레드가 코드 블록을 실행해도 변수의 가시성을 보장할 수 있습니다.

원자 변수(Atomic variable)

java.util.concurrent.atomic 패키지 내에 단일 변수에 대한 원자 연산을 지원하는 클래스들이 정의되어 있습니다.
AtomicBoolean, AtomicInteger 등 원시 타입에 대응되는 원자 변수는 물론, AtomicReference 와 같이 객체에 대응되는 원자 변수도 존재합니다.
클래스들은 volatile 변수에 대한 읽기/쓰기처럼 동작하는 get()/set()를 갖고 있습니다.
따라서, set()은 같은 변수에 대한 모든 이후의 get() 호출에 대해 발생-전 관계(happens-before Relationship) 를 갖습니다.

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

class AtomicCounter {
    private AtomicInteger c = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
		// Atomically increments by one the current value.
        c.incrementAndGet();
    }

    public void decrement() {
		// Atomically decrements by one the current value.
        c.decrementAndGet();
    }

    public int value() {
        return c.get();
    }

}

ThreadLocal이란?

java.lang 패키지에 존재하는 클래스로써, 이를 사용하면 각 스레드 별로 스스로만 접근할 수 있는 데이터를 저장할 수 있습니다.

// 먼저, 값을 저장할 ThreadLocal 인스턴스를 생성합니다.
ThreadLocal<타입> threadLocalValue = new ThreadLocal<>();

// get(), set() 메서드를 통해 값을 읽고, 쓸 수 있습니다.
threadLocalValue.set(1);
Integer result = threadLocalValue.get();

// remove() 메서드를 통해 값을 지울 수 있습니다.
threadLocalValue.remove();

주의사항

이를 ThreadPool과 함께 사용 할 경우, ThreadLocal의 값을 지우지 않고 현재 스레드를 풀에 반납했다 다시 사용하게 되면 이전에 ThreadLocal에 저장한 값이 남아있게 됩니다.
이를 주의해서 사용할 필요가 있습니다.

참고 문서

https://cloudsoswift.github.io/post/develop/java/synchronized/ cloudsoswift

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