Java ‐ 동기화 synchronized - dnwls16071/Backend_Study_TIL GitHub Wiki
📚 출금 예제 코드를 보고 비롯되는 문제점 지적하기
public interface BankAccount {
boolean withdraw(int amount); // 출금 메서드
int getBalance(); // 잔고 조회 메서드
}
// BankAccount 인터페이스를 구현한 구현체 클래스
public class BankAccountImplV1 implements BankAccount {
private int balance; // 잔고(자원)
public BankAccountImplV1(int balance) {
this.balance = balance;
}
@Override
public boolean withdraw(int amount) {
log("거래 시작: " + getClass().getSimpleName());
log("[검증 시작] 출금액: " + amount + ", 잔액: " + balance);
if (balance < amount) {
log("[검증 실패] 출금액: " + amount + ", 잔액: " + balance);
return false;
}
log("[검증 완료] 출금액: " + amount + ", 잔액: " + balance);
sleep(1000);
balance = balance - amount;
log("[출금 완료] 출금액: " + amount + ", 변경 잔액: " + balance);
log("거래 종료");
return true;
}
@Override
public int getBalance() {
return balance;
}
}
// 출금 요청 쓰레드 생성
public class WithdrawTask implements Runnable {
private final BankAccount bankAccount;
private final int amount;
public WithdrawTask(BankAccount bankAccount, int amount) {
this.bankAccount = bankAccount;
this.amount = amount;
}
@Override
public void run() {
bankAccount.withdraw(amount);
}
}
public class BankAccountMain {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
BankAccount bankAccount = new BankAccountImplV1(1000);
Thread thread1 = new Thread(new WithdrawTask(bankAccount, 800), "t1");
Thread thread2 = new Thread(new WithdrawTask(bankAccount, 800), "t2");
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
log("최종 잔액: " + bankAccount.getBalance());
}
}
실행 결과
01:25:56.196 [ t2] 거래 시작: BankAccountImplV1
01:25:56.196 [ t1] 거래 시작: BankAccountImplV1
01:25:56.202 [ t1] [검증 시작] 출금액: 800, 잔액: 1000
01:25:56.202 [ t2] [검증 시작] 출금액: 800, 잔액: 1000
01:25:56.203 [ t1] [검증 완료] 출금액: 800, 잔액: 1000
01:25:56.206 [ t2] [검증 완료] 출금액: 800, 잔액: 1000
01:25:57.208 [ t2] [출금 완료] 출금액: 800, 변경 잔액: 200
01:25:57.209 [ t2] 거래 종료
01:25:57.212 [ t1] [출금 완료] 출금액: 800, 변경 잔액: -600
01:25:57.212 [ t1] 거래 종료
01:25:57.217 [ main] 최종 잔액: -600
[ 그림 설명 ]
- 2개의 요청 쓰레드가 생성되고 출금 요청을 처리하게 된다. 이 때, `BankAccount` 타입의 인스턴스가 공유가 된다.
- 동일한 `BankAccount` 인스턴스를 공유하기 때문에 멤버 변수인 잔고 역시 공유가 된다.
- 따라서 2개의 요청 쓰레드가 요청을 보내게 되면 각각 하나의 인스턴스만을 놓고 보았을 때, 출금하는데 제약이 발생하지 않아(즉, 잔고보다 많은 출금 금액이 아니라는 것) 정상적으로 출금이 된다.
- 그 결과 2개의 요청 쓰레드가 동시에 출금에 성공하면서 현재 잔고 1000원보다 많은 1600원이 출금되어 -600원이라는 음수값이 도출되는 것이다.
📚 동시성 문제
- 동시성 문제와 관련된 두 가지 시나리오는 아래와 같다.
①. t1 쓰레드가 t2 쓰레드보다 아주 약간 빠르게 실행된 경우
②. t1 쓰레드와 t2 쓰레드가 동시에 실행된 경우
[ t1 쓰레드가 t2 쓰레드보다 아주 약간 빠르게 실행된 경우 ]
- t1 쓰레드가 아주 근소한 차이로 먼저 코드 블럭에 진입해 분기문 측에서 검증 로직을 체크하고 있고 이후 t2 쓰레드가 코드 블럭에 진입한 상태이다.
- 쓰레드 t1이 아주 근소한 차이로 먼저 실행되면서 출금을 시도한다.
- 쓰레드 t1이 출금 검증 로직을 실행한다. 이 때, 조건을 만족하므로 검증 로직 통과 후 `sleep(1000)`으로 가게 된다.
- t2 쓰레드가 이후 들어오면서 출금 검증 로직을 실행한다. 이 시점에 t1 쓰레드는 출금 로직 실행 대기를 위해 `sleep(1000)` 상태에 있기 때문에 아직 완벽히 출금이 되지 않은 상태이므로 t2 쓰레드가 출금 검증 로직을 통과하고 나오게 된다.
- 결과적으로 t1, t2 쓰레드 둘 다 출금 검증 로직을 통과하면서 1600원이란 금액이 출금되면서 음수값이 나오게 되는 것이다.
[ t1 쓰레드와 t2 쓰레드가 동시에 실행된 경우 ]
- t1, t2 쓰레드가 출금 검증 로직을 거치게 된다. 이 때, `BankAccount` 인스턴스가 공유가 된다.
- t1, t2 쓰레드 모두 출금 금액이 잔액보다 적기에 검증 로직을 그대로 통과하게 되면서 둘 다 잔고는 200원이 된다.
- 여기서 한 가지 문제가 된다. 분명 2개의 쓰레드 요청의 출금 금액을 합하면 1600원이 출금이 되는데 실제론 한 번만 출금이 된 것으로 계산이 된 200원이 나오게 되는 것이다.
- 출금 요청 800원은 어디론가 증발이 된 것이다.
📚 임계 영역
- 위와 같은 동시성 문제가 발생한 근본 원인은 바로 여러 쓰레드가 함께 사용하는 공유 자원을 여러 단계로 나누어 사용하기 때문이다.
- 여기서
BankAccount인터페이스 구현체가 가지는 멤버 변수인balance(잔액)은 여러 쓰레드가 함께 사용하는 공유 자원이다. - 따라서 출금 로직을 수행하는 중간에 다른 쓰레드에서 이 값을 얼마든지 바꿀 수 있다.
- 출금 메서드를 한 번에 하나의 쓰레드만 실행할 수 있게 제한한다면 동시성 문제는 발생하지 않게 된다.
❗임계 영역(Critical Section)
여러 쓰레드가 동시에 접근하면 데이터 불일치나 예상치 못한 동작이 발생할 수 있는 위험하고 중요한 코드 부분을 뜻한다. 여러 쓰레드가 동시에 접근해서는 안 되는 공유 자원에 접근하거나 이를 수정하는 부분을 의미한다.
- 한 번에 하나의 쓰레드만 접근할 수 있도록 임계 영역을 안전하게 보호하는 방법을 Java에서 제공하는데 바로
synchronized키워드가 그 역할을 수행한다.
📚 synchronized 메서드
@Override
public synchronized boolean withdraw(int amount) {
log("거래 시작: " + getClass().getSimpleName());
log("[검증 시작] 출금액: " + amount + ", 잔액: " + balance);
if (balance < amount) {
log("[검증 실패] 출금액: " + amount + ", 잔액: " + balance);
return false;
}
log("[검증 완료] 출금액: " + amount + ", 잔액: " + balance);
sleep(1000);
balance = balance - amount;
log("[출금 완료] 출금액: " + amount + ", 변경 잔액: " + balance);
log("거래 종료");
return true;
}
- 위와 같이
synchronized키워드를 붙이면 하나의 쓰레드만 작업을 할 수 있게 된다.
실행 결과
14:07:55.104 [ t1] 거래 시작: BankAccountImplV1
14:07:55.110 [ t1] [검증 시작] 출금액: 800, 잔액: 1000
14:07:55.110 [ t1] [검증 완료] 출금액: 800, 잔액: 1000
14:07:56.116 [ t1] [출금 완료] 출금액: 800, 변경 잔액: 200
14:07:56.117 [ t1] 거래 종료
14:07:56.117 [ t2] 거래 시작: BankAccountImplV1
14:07:56.118 [ t2] [검증 시작] 출금액: 800, 잔액: 200
14:07:56.118 [ t2] [검증 실패] 출금액: 800, 잔액: 200
14:07:56.123 [ main] 최종 잔액: 200
- 자바의 synchronized 키워드가 어떻게 작동하는지는 아래와 같다.
- 모든 객체(인스턴스)는 자신만의 락(Lock)을 가지고 있다.
- 쓰레드가 synchronized 키워드가 있는 메서드에 진입하려면 반드시 해당 인스턴스의 락이 있어야 한다.
- 쓰레드 t1이 먼저 실행되고 BankAccount 인스턴스의 락을 확보하면서 메서드가 실행되고 검증 로직을 수행하게 된다.
- 이 때, 쓰레드 t2는 락을 획득하지 못했기 때문에 대기 상태에 진입하게 된다.
- 쓰레드 t1이 메서드 수행을 끝나고 BankAccount 인스턴스에 락을 반납한다.
- 쓰레드 t2가 BankAccount 인스턴스의 락을 획득하면서 synchronized 키워드가 붙은 메서드에 진입한다.
- 하지만 잔액보다 많은 금액의 출금을 시도하므로 실패하게 된다.
❗ 락을 획득하는 순서는 보장되지 않는다.
BankAccount 인스턴스의
withdraw()메서드를 수많은 쓰레드가 동시에 호출한다면 1개의 쓰레드만 Lock을 획득하고 나머지는 쓰레드는 Blocked 상태가 된다. 그리고 락을 획득한 쓰레드가 요청을 수행한 BankAccount 인스턴스에 락을 반납하면 해당 인스턴스의 락을 기다리는 수많은 쓰레드 중 하나가 락을 획득하고 작업을 하게 된다. 어떤 순서로 락을 획득하는지는 자바 표준에 정의되어 있지 않다. 따라서 순서를 보장하지 않고, 환경에 따라서 순서가 달라질 수 있다.
📚 synchronized 코드 블럭
synchronized키워드의 가장 큰 장점이자 단점은 한 번에 하나의 쓰레드만 실행할 수 있다는 점이다.- 동시성 문제를 해결해주지만 여러 쓰레드가 동시에 실행하지 못하기 때문에 전체적으로 보면 성능이 저하된다.
- 따라서
synchronized를 통해 동시에 실행할 수 없는 코드 구간은 꼭 필요한 곳에만 한정해서 사용을 해야 한다.
@Override
public boolean withdraw(int amount) {
log("거래 시작: " + getClass().getSimpleName());
// synchronized 코드 블럭 단위로..
synchronized (this) {
log("[검증 시작] 출금액: " + amount + ", 잔액: " + balance);
if (balance < amount) {
log("[검증 실패] 출금액: " + amount + ", 잔액: " + balance);
return false;
}
log("[검증 완료] 출금액: " + amount + ", 잔액: " + balance);
sleep(1000);
balance = balance - amount;
log("[출금 완료] 출금액: " + amount + ", 변경 잔액: " + balance);
}
log("거래 종료");
return true;
}
실행 결과
14:44:57.276 [ t1] 거래 시작: BankAccountImplV3
14:44:57.276 [ t2] 거래 시작: BankAccountImplV3
14:44:57.281 [ t1] [검증 시작] 출금액: 800, 잔액: 1000
14:44:57.281 [ t1] [검증 완료] 출금액: 800, 잔액: 1000
14:44:58.287 [ t1] [출금 완료] 출금액: 800, 변경 잔액: 200
14:44:58.287 [ t1] 거래 종료
14:44:58.287 [ t2] [검증 시작] 출금액: 800, 잔액: 200
14:44:58.289 [ t2] [검증 실패] 출금액: 800, 잔액: 200
14:44:58.294 [ main] 최종 잔액: 200
- 자바에서 동기화(synchronized) 키워드는 여러 쓰레드가 동시에 접근할 수 있는 자원에 대해 일관성있고 안전한 접근을 보장하기 위한 메커니즘이다.
- 동기화는 주로 멀티쓰레드 환경에서 발생할 수 있는 문제, 예를 들어 데이터 손상이나 예기치 않은 결과를 방지하기 위해 사용된다.
- 메서드 동기화 vs 블록 동기화
// 메서드 동기화
public synchronized void synchronizedMethod() {
}
// 블록 동기화
public void method() {
synchronized (this) {
}
}
- 이런 동기화를 사용하면 다음 문제들을 해결할 수 있다.
- 경합 조건(Race Condition) : 두 개 이상의 쓰레드가 경쟁적으로 동일한 자원을 수정할 때 발생하는 문제
- 데이터 일관성 : 여러 쓰레드가 동시에 읽고 쓰는 데이터의 일관성을 유지