[Java] 메모리 가시성과 volatile

MEUN·2024년 10월 30일

🔒 상황

멀티 스레드를 사용하는 상황에서 Runnable을 구현하여 실행한 다수의 Thread가 Thread 내부 변수의 변경된 값을 읽지 못하는데,
이러한 문제를 메모리 가시성 문제라고 한다.

예시

public class TaskRunner {

    private static class Task implements Runnable {
    
    	boolean flag = true;

        @Override
        public void run() {
            while (!flag) {}

            System.out.println("Task 종료");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Task task = new Task();
        task.start();
        
        task.flag = false;
    }
}

🔎 원인

문제는 상대적으로 속도가 느린 메모리의 접근 횟수를 줄이기 위해 값을 캐싱하여 사용하는 데 있다.
캐시는 메모리 중 일부를 미리 가져오고 CPU는 메모리에 접근 전 먼저 캐시 내 원하는 데이터가 존재하는지 확인한다.
이때 L1 ➡ L2 ➡ L3 순으로 캐시 검색 후 캐시 미스 시 메모리를 조회한다.

위 코드 기준으로 Task Thread는 메모리에 반영된 변경 값(false)이 캐시에 반영 전까지 flag 변수를 true로 참조하여 예상대로 동작하지 않는 것이다.

캐시 구조

L1 ➡ L2 ➡ L3 순으로 속도가 점차 느려지며, 용량은 커진다.
일부 캐시는 프로세서별로 구조가 상이할 수 있다.

캐시 구조

L1 캐시

직접 레지스터에 연결된 캐시로, 명령어 캐시와 데이터 캐시가 존재
명령어와 데이터를 구분하여 조회하는 특수 캐시
캐시 중 가장 빠르고 용량이 작음

L2 캐시

CPU 코어 또는 코어 근처에 위치하여 코어별로 사용되거나 코어들이 공유
L1 캐시가 커버하지 못하는 데이터와 명령어 저장

L3 캐시

CPU 내부에 위치
캐시 중 가장 용량이 큼

🚌 버스란?

메인보드에서 각 장치를 연결하여 데이터가 지나다니는 통로

🚌 CPU 내부 버스란?

CPU 내부 장치를 연결하는 버스로, BSB(Back Side Bus) 또는 후면 버스라 불림

🚌 시스템 버스란?

메모리와 주변 방치를 연결하는 버스로, FSB(Front Side Bus) 또는 전면 버스라 불림

메인보드의 동작 속도를 의미

캐시 히트와 캐시 미스

캐시 히트

캐시에서 원하는 데이터를 찾은 경우

캐시 미스

캐시에서 원하는 데이터를 찾지 못하여 메모리 내 데이터를 조회하는 경우

일반적인 컴퓨터의 캐시 적중률은 약 90%라고 한다.

🔑 해결 방법

Thread 내 공유 변수에 volatile 키워드를 사용한다.
단, 메모리 내 데이터를 직접 읽고 쓰기 때문에 성능은 저하된다.

사용하지 않을 경우 캐시 메모리 갱신 전까지 메모리와 캐시 간 데이터가 일치하지 않는 문제가 발생할 수 있다.
주로 컨텍스트 스위칭 시 캐시 메모리도 함께 갱신되지만 이는 달라질 수 있다.

public class TaskRunner {

    private static class Task implements Runnable {
    
    	volatile boolean flag = true; // volatile 키워드 사용!

        @Override
        public void run() {
            while (!flag) {}

            System.out.println("Task 종료");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Task task = new Task();
        task.start();
        
        task.flag = false;
    }
}