(Java) Thread와 메모리 가시성

BaekGwa·2024년 8월 16일

Java

✔️ Java

목록 보기

2/12

Thread와 메모리 가시성

메모리 가시성

메모리 가시성 문제란?

메모리 가시성 문제는 멀티스레드 환경에서 한 스레드가 변경한 변수의 값이 다른 스레드에게 즉시 또는 올바르게 보이지 않는 상황을 말합니다.

즉, A Thread에서 공유되는 자원인 value의 값을 변경하였고, 이후 B Thread 에서 접근하여 확인하는데, 변경값이 적용이 안되어있는 현상을 얘기합니다.
같은 변수를 사용하는데, 다른 값이 나오면 데이터 정합성문제가 발생 할 듯 합니다.

왜 발생할까?

Java 에서는 각 스레드의 성능 향상을 위해, 자주 사용하는 변수는 CPU 캐시에 저장 하게 됩니다.

쉽게 이해하자면, Thread A, Thread B가 각자 같은 변수를 읽어 오거나, 값을 변경 시키더라도, 자신만 사용하는 CPU 캐시에 이 값을 저장해두고 사용하게 되는 겁니다.

실제 코드와 결과를 통해 알아 보겠습니다.

발생 코드 살펴보기

PlsuThread는 생성자로 입력받은 숫자 만큼, 반복문을 돌며 값을 더합니다.
저장되는 변수는 static 변수 plusCount에 저장됩니다.
static 으로 선언 되었기때문에, 해당 class로 여러 Thread 를 만들어도 같은 변수를 참조하게 됩니다.

package memory;

public class TestMain {

    public static void main(String[] args) {
        PlusThread plusThreadA = new PlusThread();

        Thread threadA = new Thread(plusThreadA, "ThreadA");

        threadA.start();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is start!!");

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }

        //실행 Flag false처리 후, 값 변경 되었는지 확인.
        plusThreadA.runFlag = false;
        System.out.println("plusThreadA.isRunFlag() = " + plusThreadA.isRunFlag());
        
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is End!!");
    }

    private static class PlusThread implements Runnable {
        boolean runFlag = true;

        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "시작");
            while (runFlag){
//                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "동작 중");
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "종료");
        }

        public boolean isRunFlag() {
            return runFlag;
        }
    }
}

ThreadA는 flag가 살아있는 동안 (true) 계속 Thread를 유지하고 있는 상태입니다.
ThreadA는 시작할때, 시작 로그를 찍고, 끝날때 종료 로그를 찍습니다.
예상하기로는, main Thread에서 ThreadA의 runFlag를 false로 바꿨을 때, while문의 조건이 false가 되며 종료가 되어야 한다.

로그상으로는 다음과 같은 순서를 가질 것으로 예상한다.

main is start!!
ThreadA시작
plusThreadA.isRunFlag() = false
main is End!!
ThreadB종료

하지만 실제 동작은, ThreadA가 종료되지 않고 무한 대기 실행 상태에 빠지게 된다.

이때, 이유는 앞서 설명한 메모리가시성문제가 발생되어 그렇다.
ThreadA 내부에서 참조해서 확인하는 runFlag는 메인 메모리에 있는 인스턴스의 runFlag가 아닌, CPU의 캐시에 저장된 runFlag 값을 사용해서 진행하게 된다.
이때 CPU메모리(runFlag)는 메인메모리의 runFlag = true 값이 아직 반영되지 않은 것이다.
이와 같은 문제를 어떻게 해결 할 수 있을까?

메모리 가시성 해결

volatile 사용

이와 같은 문제는 volatile 키워드를 사용하면 간단하게 해결된다.
다음 코드와 같이 volatile 키워드를 사용하면, 해당 키워드가 적용된 변수는, CPU 캐시를 사용하지 않고, 메인 메모리만을 사용하여 값을 가져오고, 저장하게 된다.

~~
private static class PlusThread implements Runnable {
        volatile boolean runFlag = true; 
~~

ThreadA시작
main is start!!
ThreadA종료
plusThreadA.isRunFlag() = false
main is End!!

volatile 문제점

앞서 설명하였듯이, volatile 키워드를 사용한 변수는, CPU 캐시를 사용하지 않고, 메인 메모리만을 사용하여 값을 사용하기에 성능적으로 확실하게 느려진다.

그럼 CPU 캐시는 언제 메인메모리로 동기화 될까?

답은, 알 수 없다.

사실 동기화는 여러 상황일 때, 시도하는데, 대표적으로 Thread가 휴식 상태일때 진행 할 수 도 있다.
예를들어, 현재 while문 안에 콘솔출력 구문을 주석해제 해서 실행하게 되면, 콘솔 출력을 하게 되는데, 이때 스레드는 잠시 쉬며 대기를 하게 된다.
이때 스레드는 휴식 상태에서 동기화를 진행 할 수도 있다.
중요한 키 포인트는 진행 할 수도 있다 이다. 동기화를 할 수도 안할 수도 있기때문에 volatile을 대신해서 이런 기법을 사용한다면 보장되지 않는 멀티스레드 환경을 구축하는 것이다.