[JAVA] 쓰레드 동기화

쓰레드 동기화란?

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싱글쓰레드 프로세스는 하나의 메인 쓰레드만 작업을 수행하는 프로세스를 뜻하며, 멀티쓰레드 프로세스는 메인 쓰레드 포함 두 개 이상의 쓰레드가 동시에 작업을 수행하는 프로세스를 뜻합니다. 

 

그렇기 때문에 싱글쓰레드 프로세스의 경우 프로세스의 자원을 가지고 작업하는 큰 문제가 없지만, 멀티쓰레드 프로세스 같은 경우 여러 쓰레드가 같은 프로세스 내의 자원을 공유해서 작업하기 때문에 서로의 작업에 영향을 줄 수 밖에 없습니다. 만약에 쓰레드 A가 하나의 공유 자원을 가지고 작업을 수행하다가 쓰레드 B에게 제어권이 넘어갔을 때, 쓰레드 A가 작업하던 공유 자원을 쓰레드B가 임의로 건드렸다면 쓰레드A는 원하던 결과를 얻을 수 없을 것입니다. 

 

이러한 일을 방지하기 위해서는 한 쓰레드가 특정 작업을 끝마치기 전까지 다른 쓰레드에 의해 방해받지 않도록 해야하며, 그래서 도입된 개념이 임계영역(Critical Section)과 잠금(Lock) 입니다. 즉, 공유 데이터를 사용하는 코드 영역을 임계영역으로 지정하고 공유 데이터가 가지고 있는 Lock을 획득한 하나의 쓰레드만 접근할 수 있도록 하는 것입니다. 이처럼 한 쓰레드가 진행중인 작업을 다른 쓰레드가 간섭하지 못하도록 하는 것을 '쓰레드의 동기화' 라고 합니다.

 

 

synchronized 키워드와 메서드 

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가장 간단한 동기화 방법은 synchronized 키워드를 이용한 동기화 방법입니다. 이 키워드는 임계영역을 설정하는데 사용됩니다. 방법에는 두가지가 있는데, 다음과 같습니다.

 

1. 메서드 전체를 임계영역으로 설정

public synchronized void Method() {}

해당 방법으로 진행하게 되면 메서드 전체가 임계영역으로 설정됩니다. 쓰레드는 synchronized 메서드가 호출된 시점부터 해당 메서드가 포함된 객체의 lock을 얻어 진행하다가 메서드가 종료되면 lock을 반납하게 됩니다. 

 

2. 일부 영역만을 임계영역으로 설정

synchronized(객체) {}  

해당 방법으로 진행하게 되면 메서드 전체가 아닌, 메서드의 특정 부분을 임계영역으로 설정할 수 있습니다. 이때 참조변수는 락을 걸고자하는 객체를 참조하는 것이여야 합니다. (참고로 객체당 하나의 락을 가지게 됩니다.) 괄호로 감싸고 있는 부분이 synchronized블록 영역이며, 해당 영역으로 들어가면서 지정된 객체의 lock을 얻게되고 해당 영역을 벗어날 때 lock을 반납하게 됩니다. 

 

두 방법 모두 lock 획득 반납이 자동으로 이루어지므로 개발자는 단순히 임계 영역만 설정해주면 됩니다. 임계영역은 멀티쓰레드 프로그램의 성능을 좌우하기 때문에 가능하면 메서드 전체에 락을 거는 것보다, synchronized블럭으로 임계영역을 최소화하여 효율적인 프로그램이 되도록 노력해야 합니다.

 

 

wait(), notify()

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synchronized로 동기화하여 공유 데이터를 보호하는 것도 중요하지만, 특정 쓰레드가 객체의 락을 가진 상태로 오래 시간을 보내지 않도록 하는 것도 굉장히 중요합니다. 그래서 고안된 것이 바로 wait() 과 notify()입니다. 동기화된 임계영역의 코드를 수행하다가 작업을 수행할 상황이 아니라면, wait()을 호출하여 쓰레드가 락을 반납하고 대기상태로 돌입하게 됩니다. 그러면 다른 쓰레드가 락을 얻어 해당 객체에 대한 작업을 수행할 수 있게 됩니다. 그 이후에 작업을 수행할 상황이 되면 notify()를 호출하여, 작업을 중단했던 쓰레드를 깨워 다시 락을 얻어 작업을 진행할 수 있게 합니다. 

 

하지만 notify()를 이용하면 오래 기다린 쓰레드가 락을 얻는다는 보장은 없습니다. wait()이 호출되면 실행 중이던 쓰레드는 waiting pool에서 통지를 기다리게 되는데, notify()가 호출되면 해당 객체의 waiting pool중에 임의의 쓰레드만 통지를 받게 됩니다. 물론 notifyAll()을 이용하면 모든 쓰레드를 깨울 수 있지만 결국 락은 객체당 하나이기 때문에 임의의 쓰레드만 실행되고 나머지 쓰레드들은 다시 waiting pool에서 기다리게 됩니다.

 

• 기아 현상

notify()를 활용하면 위에서 말했듯이 임의의 쓰레드만 깨어나게 되며, 어쩌면 최악의 상황에서 원하는 쓰레드가 끝까지 깨어나지 못하는 상태가 올수도 있습니다. 이러한 상황을 기아 현상이라고 합니다. 이 현상을 막으려면 notify() 대신 notifyAll()을 활용해야 합니다. 하지만 notifyAll()도 분명히 문제가 존재합니다.

 

• 경쟁 상태

notifyAll()을 활용하면 모든 쓰레드를 깨울 수 있지만, 결국 객체당 락은 하나이기 때문에 락 하나를 두고 모든 쓰레드가 서로 경쟁하게 됩니다. 이러한 것을 경쟁 상태라고 합니다. 이 경쟁 상태를 개선하기 위해서는 결국에 자신이 원하는 쓰레드를 직접 지명하여 통지해야 합니다.

 

Lock

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동기화할 수 있는 방법은 synchronized블럭 외에도 'java.util.concurrent.locks'패키지가 제공하는 locks클래스들을 이용하는 방법이 있습니다. synchronized블럭을 사용하게 되면 자동으로 lock이 걸리고 풀리기 때문에 굉장히 편리합니다. 심지어 synchronized블럭 영역에서 예외가 발생한다해도 lock은 자동적으로 풀립니다. 그러나 때로는 같은 메서드 내에서만 lock을 걸 수 있다는 제약이 불편하기도 합니다. 따라서 이런 제약이 문제가 될 때 lock클래스를 사용하게 됩니다. 

 

lock클래스의 종류는 다음과 같이 3가지 종류가 있습니다. 

 

• 1. ReentrantLock

ReentrantLock은 가장 일반적인 Lock입니다. reentrant(재진입할 수 있는)이라는 단어가 앞에 붙은 이유는 위에서 언급했던 wait(), notify() 처럼 특정 조건에서 Lock을 플고, 나중에 다시 Lock을 얻어서 Critical Section으로 들어와서 이후의 작업을 수행할 수 있기 때문입니다. 

 

• ReentrantReadWriteLock

ReentrantReadWriteLock은 읽기를 위한 Lock과 쓰기를 위한 Lock을 따로 제공합니다. ReentrantReadWriteLock은 읽기 Lock이 걸려있으면, 다른 쓰레드가 읽기 Lock을 중복해서 걸고 읽기를 수행할 수 있습니다. 하지만 읽기 Lock이 걸린 상태에서 쓰기 Lock을 거는 것은 허용하지 않습니다. 또한 반대의 경우도 또한 마찬가지 입니다. 

 

• StampedLock

StampedLock은 Lock을 걸거나 해지할 때 '스탬프(long타입의 정수값)'을 사용하며, 읽기와 쓰기를 위한 lock외에 '낙관적 읽기 lock'이 추가된 것입니다.  만약 읽기 lock이 걸려있다면 쓰기 lock을 걸기 위해서는 읽기 lock이 풀릴 때 까지 기다려야하는데에 비해 '낙관적 읽기 lock'은 읽기 lock이 걸려있는 상태에서 쓰기 lock을 건다면, 읽기 lock은 바로 풀리게 됩니다. 따라서 무조건 읽기 lock을 걸지 않고, 읽기 lock과 쓰기 lock이 충돌할 때만 쓰기가 끝난 후에 읽기 lock을 걸어야만 합니다.

 

Condition

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위에서 wait()과 notify()를 사용하면 자신이 원하는 쓰레드를 직접 골라서 통지하지 못한다는 단점을 언급했었습니다. Condition은 이 문제점을 해결하기 위해 고안된 것입니다. wait()과 notify()로 공유 객체의 waiting pool에 같이 몰아넣는 대신, 각각 종류의 쓰레드를 위한 Condition을 만들어서 각각의 waiting pool에서 따로 기다리도록 하면 문제는 해결될 것입니다. 즉, 만약에 음식을 생성하는 요리사 쓰레드와 음식을 소비하는 손님 쓰레드가 있다고 해봅시다.

 

public class ThreadRestaurant {
    /* 생략 */
}
 
class Customer implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        /* 생략 */
    }
}
 
class Cook implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        /* 생략 */
    }
}
 
class Table {
    String[] dishNames = {"donut", "donut", "burger"};
    final int MAX_FOOD = 2; // 최대 2개 
    private ArrayList<String> dishes = new ArrayList<>(); 
    
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); //일반적인 Lock 
    private Condition forCook = lock.newCondition(); //요리사용 condition
    private Condition forCus = lock.newCondition(); //손님용 condition
    public void add(String dish) {
        lock.lock(); //락을 건다.
            try {
                while(dishes.size() >= MAX_FOOD) { //음식을 못만드는 상황 
                    String name = Thread.currentThread().getName();
                    System.out.println(name + " is waiting");
                    try {forCook.await();Thread.sleep(500);} catch(InterruptedException e) {} //wait!
                }
                dishes.add(dish);
                forCus.signal();
                System.out.println("Dishes :" + dishes.toString());
            } finally {
                lock.unlock(); //어떤 일이 일어나든 lock을 반환해야함.
            }
    }
    
    public void remove(String dishName) {
        lock.lock(); //락을 건다.
            try {
                while(dishes.size()==0) { //음식이 없으면 먹을 수 없다.
                    String name = Thread.currentThread().getName(); 
                    System.out.println(name+ " is waiting.");
                    try {forCus.await(); Thread.sleep(500);} catch(InterruptedException e) {} //wait!
                }
 
                for(int i=0; i<dishes.size(); i++) { //특정음식을 제거 
                    if(dishName.contentEquals(dishes.get(i))) {
                        dishes.remove(i);
                        forCook.signal();
                        return;
                    }
                }
            
            } finally {
                lock.unlock();
            }
    }
    
    public int dishNum() { return dishNames.length; }
}
 

 

위에 Table Class 구현 부분을 보면 각각 손님용 Condition과 요리사용 Condition을 선언하는 부분이 존재합니다. 위의 예시처럼 구분이 필요한 쓰레드 별로 Condition을 선언하여 사용하게 되면 notify()와 wait()이 불가능했던 부분을 속시원하게 해결할 수 있게 됩니다. 참고로 Condition 클래스는 notify(), wait()이 아닌 signal(), await() 입니다.