Java에서 멀티 스레드 프로그래밍 방식에는 여러 스레드가 동시에 하나의 자원을 접근해 기존 의도와 다르게 데이터가 output 될 수 있다. 여기서 고려해야 할 것이 많은데, 그 원인은 경쟁 상태(race condition)과 변수의 가시성(visibility)에서 온다.
경쟁상태
여러 스레드가 같은 시점에 변수를 읽는 상태
변수의 가시성
변수들이 사용될 수 있는 영역의 범위로써 변수의 값이 CPU의 캐시 메모리에 저장되었는지, 메인 메모리에 저장되어있는지 알 수 없다는 것에서부터 온다. 동일한 변수를 동시에 접근했을 때 어떤 스레드는 캐시 메모리에 접근할 수 있고, 어떤 스레드는 메인메모리에 접근할 수도 있기 때문이다.
Atomic
- 멀티쓰레드 환경에서 동기화 문제를 별도의
synchronized없이 해결하기 위해 고안된 방법이다. - Non-blocking하며 동시성 문제를 해결할 수 있다.
- CAS(Compare And Swap) 알고리즘을 통해 원자성을 보장한다.
- 자신이 읽었던 변수의 값을 기억하고 있다가, 변경을 완료하기 전 읽었던 변수의 값이 그대로인지 확인하고(메인메모리에 변동이 없는지), 아니라면 실행을 무산한다.
CAS 알고리즘이란?
멀티 쓰레드 환경에서 각 쓰레드는 CPU Cache영역에서 값을 가져온다. 이 때, 메인 메모리에 저장된 값과 CPU Cache에 저장된 값이 다른 경우가 있다(가시성문제) 이 때 사용되는 것이 CAS 알고리즘이다. 현재 쓰레드에 저장된 값과 메인 메모리의 값을 비교하여, 일치하는 경우 새로운 값으로 교체하고, 일치하지 않는다면 실패하고 재시도를 한다.
여기서 현재 쓰레드에 저장된 값은 CPU 캐시의 값이고, 메인 메모리의 값과 비교해 일치 하는 경우, 연산으로 작업된 최종 결과 값을 메인메모리에 교체한다는 것을 의미한다.
volatile
volatile이란?
- voatile 키워드는 자바 변수를 메인 메모리에 저장하겠다라는 것을 명시하는 것이다.
- 매번 변수의 값을 Read 할 때, 각 쓰레드는 CPU Cache에 저장된 값이 아니라 메인 메모리에서 읽어 가져온다.
- 매번 변수의 값을 Write 할 때, 메인 메모리에 해당 값을 작성한다.
- 자바 5에서는 volatile 변수만 메인 메모리에 저장되는 것이 아니라, volatile 변수 점근 전 수정한 모든 변수들이 함께 메인 메모리에 저장된다. 그리고 쓰레드가 volatile 변수를 메인 메모리에서 읽을 때, volatile 변수를 수정하며 메인메모리에 저장된 다른 모든 변수들도 메인메모리로부터 읽어온다.
volatile을 사용하는 이유
volatile변수를 사용하고 있지 않은 변수는 쓰레드 수행시 성능 향상을 위해 Main Memory에서 읽은 값을 CPU Cache에 저장한다.- 멀티 쓰레드 프로그래밍 환경에서 각각의 쓰레드가 변수 값을 불러올 때 CPU Cache에 담겨진 값이 다를 수 있어 변수 값 불일치 문제가 생긴다.
특징
- 하나의 쓰레드가 아닌 여러 쓰레드가 변수를 write하는 상황에서는 적합하지 않는다.(쓰레드에서 업데이트 한 값이 메인메모리까지 반영이 안될 수 있어 동시성이 보장되지 않는다)
- CPU Cache보다 Main Memory에 접근하는데 비용이 더 크기 때문에 변수 값 일치를 보장해야 하는 경우에만 사용하는 것이 좋다.
- 메인메모리조차 최신의 값이 쓰여지지 않을 수 있기 때문에, 아직 다른 쓰레드에서 사용하는 공유 데이터의 원자성을 보장하지 않는다.
synchronized
- 멀티쓰레드 환경에서 동시성 제어를 위해 공유 객체를 동기화 하는 키워드이다.
- 메소드나, 메소드 안의 특정 블록에만 해당 키워드로 scope를 정해놓고 멀티 쓰레드가 동시에 접근하지 못하도록 blocking하는 방식이다.
synchronized블락 진입 전 후 메인 메모리와 CPU 캐시 메모리의 값을 동기화 하여 원자성이 보장된다.
synchronized와 static synchronized의 차이점
synchronized는 synchronized(this){} 블럭으로 쓰는 것과 동일하다.
즉, 현재 instance에 대해서만 동기화가 일어나는 것이다. 이 경우 해당 인스턴스에서는 동기화가 일어나지만, 2개 이상의 인스턴스가 있으면 각각의 인스턴스에 대해서 동기화가 발생하므로 각각 method를 호출 할 수 있다.
반면, static synchronized의 경우 해당 클래스의 클래스 객체에 대해 동기화가 일어난다. synchronized(TargetClass.class)와 동일하다고 볼 수 있다. 해당 클래스를 접근하는 모든 경우는 다 동기화가 발생한다.
참고 자료 :
