[Java] 동시성 문제

sion·2024년 11월 21일

Java

자바 스터디

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동시성과 병렬성

동시성(Concurrency)과 병렬성(Parallelism)은 멀티스레드의 핵심 개념입니다.

동시성(=Concurrent하다는 것)은 여러 작업을 동시에 처리하는 것처럼 보이는 것이고, 병렬성(=Parallel하다는 것)은 여러 작업을 실제로 동시에 처리하는 것을 의미합니다.

동시성 (Concurrency)

동시성은 하나의 코어에서 여러 task들을 빠르게 번갈아가면서 수행하는 기술입니다. "동시에" 실행되는 것처럼 보이는 것은 스케쥴러가 아주 빠르게 스레드(혹은 프로세스) 간 컨텍스트 스위치를 하기 때문입니다. (어떤 task를 CPU에 할당할 지 결정)
특히, I/O wait이 많은 웹 서버나 DB 서버에서 많이 사용됩니다.

싱글 코어에서 멀티스레드(멀티프로세스)를 동작시키는 방식
참고: 프로세스간 발생하는 context switching 보다는 스레드 간 context switching이 오버헤드가 적다.

병렬성 (Parallelism)

병렬성은 여러 task들을 실제로 동시에 실행하는 기술입니다. 따라서, core가 하나라면 parallel한 방법은 불가능합니다. 대규모 데이터 연산/분석, 이미지 처리 등에서 단순 계산 작업들을 빠르게 처리할 수 있습니다.

멀티 코어에서 멀티스레드(멀티프로세스)를 동작시키는 방식

동시성 문제는 Concurrent한 Task 에서 발생한다.

동기화 문제는 concurrent하게 동작하는 여러 task가 동시에 공유된 자원(resource)에 변경하려 할 때 발생합니다.

멀티 스레드 환경에서는 여러 스레드가 concurrent하게 실행되고, 각 task는 하나의 thread가 실행하는 작업을 의미합니다.

예를 들어, 10개의 스레드가 동일한 변수 counter를 1씩 증가시키는 코드가 있다고 가정하겠습니다.

public class Counter {
    private int counter = 0;

    public void increment() {
        counter++;
    }

    public int getCounter() {
        return counter;
    }
}

10개의 스레드(t1, t2, ..., t10)가 각각 increment() 메서드를 동시에 호출하면, 다음과 같은 과정을 겪습니다.

t1이 counter (ex: 3)를 읽고, counter <- 4 하려고 합니다.
t2이 동시에 counter (ex: 3)를 읽고, counter <- 4 하려고 합니다.
두 t1, t2가 동일한 값을 읽었기 때문에, counter가 두 번 호출되더라도 실제 counter는 1만 증가됩니다.

이를 Race Condition(경쟁 상태)이 발생했다고 하고, thread-unsafe 한 코드에서 발생합니다.

thread-safe란?

thread-safe란, 멀티스레드 환경에서 여러 스레드가 동시에 공유 자원을 write 하더라도 자원의 상태를 일관되게 유지할 수 있도록 보장된 상태를 의미합니다.

자바의 동시성 이슈를 해결하자.

그러면 counter라는 공유 자원을 스레드 간에 race condition이 발생하지 않도록 thread-safe하게 처리하는 방법들에 대해 알아보겠습니다.

상태를 두지 않거나, 불변하도록 객체 설계 (final 활용)
- 파라미터로 값을 받아 처리 후 반환만 해주도록 설계한다. 공유 자원을 없앨 수 있다면 없애자..
synchronized 키워드 사용
- 한 스레드가 synchronized 블록에 들어가면, 실행이 끝날 때까지 나머지 스레드는 대기 (Blocking)
Lock 인터페이스 사용 (java.util.concurrent.locks.ReentrantLock)
- 명시적으로 Lock을 관리할 수 있음
AtomicInteger 사용
- CAS(Compare-And-Swap) 기법으로 Lock을 사용하는 것보다 성능상 우위 (Non-Blocking)
LongAdder 사용
- CAS 연산에 의한 경합을 최소화하기 위한 기법

동시성 이슈 테스트 코드

@ExtendWith(SpringExtension.class)
class CounterTest {

    @Autowired
    private Counter counter;

    @Autowired
    private CounterWithSync counterWithSync;

    @Autowired
    private CounterWithLock counterWithLock;

    @Autowired
    private CounterWithAtomic counterWithAtomic;

    @Autowired
    private CounterWithAdder counterWithAdder;

    // 스레드 풀 생성
    private final ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);

    // task 수
    private final int TASK_COUNT = 1_000_000;

    @Test
    void testCounterWithMultipleThreads() throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < TASK_COUNT; i++) {
            executorService.submit(() -> counter.increment());
        }

        executorService.shutdown();
        executorService.awaitTermination(5, TimeUnit.SECONDS);

        assertThat(counter.getCounter()).isLessThan(TASK_COUNT); // thread safe 하지 않음
    }

    @Test
    void testCounterWithSyncWithMultipleThreads() throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < TASK_COUNT; i++) {
            executorService.submit(() -> counterWithSync.increment());
        }
        
        executorService.shutdown();
        executorService.awaitTermination(5, TimeUnit.SECONDS);

        assertThat(counterWithSync.getCounter()).isEqualTo(TASK_COUNT);
    }

    @Test
    void testCounterWithLockWithMultipleThreads() throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < TASK_COUNT; i++) {
            executorService.submit(() -> counterWithLock.increment());
        }
        
        executorService.shutdown();
        executorService.awaitTermination(5, TimeUnit.SECONDS);

        assertThat(counterWithLock.getCounter()).isEqualTo(TASK_COUNT);
    }

    @Test
    void testCounterWithAtomicWithMultipleThreads() throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < TASK_COUNT; i++) {
            executorService.submit(() -> counterWithAtomic.increment());
        }
        
        executorService.shutdown();
        executorService.awaitTermination(5, TimeUnit.SECONDS);

        assertThat(counterWithAtomic.getCounter()).isEqualTo(TASK_COUNT);
    }

    @Test
    void testCounterWithAdderWithMultipleThreads() throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < TASK_COUNT; i++) {
            executorService.submit(() -> counterWithAdder.increment());
        }

        executorService.shutdown();
        executorService.awaitTermination(5, TimeUnit.SECONDS);

        assertThat(counterWithAdder.getCounter()).isEqualTo(TASK_COUNT);
    }

    @Configuration
    public static class TestConfig {

        @Bean
        public Counter counter() {
            return new Counter();
        }

        @Bean
        public CounterWithSync counterWithSync() {
            return new CounterWithSync();
        }

        @Bean
        public CounterWithLock counterWithLock() {
            return new CounterWithLock();
        }

        @Bean
        public CounterWithAtomic counterWithAtomic() {
            return new CounterWithAtomic();
        }

        @Bean
        public CounterWithAdder counterWithAdder() {
            return new CounterWithAdder();
        }
    }

    public static class Counter {
        private int counter = 0;
        
        public void increment() {
            counter++;
        }

        public int getCounter() {
            return counter;
        }
    }

    public static class CounterWithSync {
        private int counter = 0;
        
        public synchronized void increment() {
            counter++;
        }

        public int getCounter() {
            return counter;
        }
    }

    public static class CounterWithLock {
        private int counter = 0;

        private final Lock lock = new ReentrantLock();

        public void increment() {
            lock.lock();
            try {
                counter++;
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }

        public int getCounter() {
            return counter;
        }
    }

    public static class CounterWithAtomic {
        private final AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);

        public void increment() {
            counter.incrementAndGet();
        }

        public int getCounter() {
            return counter.get();
        }
    }

    public static class CounterWithAdder {
        private final LongAdder counter = new LongAdder();

        public void increment() {
            counter.increment();
        }

        public long getCounter() {
            return counter.sum();
        }
    }

    public static class CounterWithParam {

        public int increment(int counter) {
            return counter + 1;
        }

    }
}

synchronized 문제점과 내부 동작

synchronized 방법

synchronized는 블록, 메소드, 클래스 단위로 동기화를 적용할 수 있습니다. 특정 코드 블록 -> 인스턴스 메소드 -> 정적 메소드 수준으로 점차 범위가 증가합니다.

// 1. 코드 블록 동기화
public void increment() {
  	// logic 1...
	synchronized (this) {
  		counter++;
  	}
  	// logic 2...
}
  
// 2. 메서드 동기화
private int counter = 0;
public synchronized void increment() {
	counter++;
}
  
// 3. 메서드 동기화
privte static int counter = 0;
public static synchronized void increment() {
	counter++;
}

synchronized 문제점

synchronized는 블록 전체에 락을 걸고 다른 스레드가 접근하면 blocking되는 방식이므로 스레드가 많을수록 성능 저하가 크게 발생합니다.

1) 성능 저하

동시에 여러 스레드가 synchronized 블록에 접근하려고 하면, 대기 시간이 길어집니다.
lock 획득과 해제에 대한 비용이 큽니다.

2) 데드락

실수로 인해, 상호 의존적인 Lock을 기다리게 되면 무한 대기에 빠져 시스템이 멈출 수 있습니다.

3) 과도한 블록 범위

synchronized를 넓은 범위(단순히 메소드)로 짜게 되면 동기화가 필요하지 않은 부분까지도 포함되는 문제가 발생합니다. 예를 들어, 블록 안에서 오랜 시간이 걸리는 I/O 등의 작업이 같이 이루어지게 되면 많은 스레드들이 대기 상태에 놓여 성능을 크게 저하시킬 수 있습니다.

synchronized 내부 동작

모니터 락(Monitor Lock)
- 각 객체는 고유한 Monitor Lock 을 가지고 있습니다.
- 스레드가 synchronized 블록이나 메서드에 진입하려면 Monitor Lock을 획득해야만 가능합니다.
획득 과정
- 스레드가 synchronized 블록에 진입 시도
  - 사용 중이 아니면, Lock을 획득하고 블록 실행
  - 사용 중이면, Lock이 해제될 때까지 대기 상태
- 블록 실행 완료되면 Lock 해제
- 대기 중인 스레드가 Lock을 획득할 기회를 가짐

또한, JVM 수준에서 monitorenter, monitorexit 으로 변환되어 바이트코드 수준에서도 동기화를 보장합니다.

가시성 문제와 원자성 문제

가시성 문제: 스레드 A가 값을 바꿔도, 스레드 B가 바꾼 사실을 못 본다.
원자성 문제: 스레드 A와 B가 동시에 값을 바꾸려 할 때, 중간 과정의 데이터를 read하는 문제.

가시성 문제 (Visibility)

한 스레드에서 변경한 값을 다른 스레드가 즉시 관찰할 수 없는 현상을 의미합니다. CPU Cache Memory와 RAM의 데이터가 일치하지 않아 생기는 문제입니다.

class SampleTest {

    private static boolean running = true;

    @Test
    void test2() throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            while (running) {
                // running 값을 다른 스레드에서 변경하기 때문에 이를 감지하지 못함
  				// 단, 여기에 System.out.println()을 넣으면 내부적으로 synchronized가 실행되어 동기화가 이루어진다.
            }
            System.out.println("Thread stopped.");
        });
        thread.start();

        Thread.sleep(1000);
        running = false;    // 1초 후에 running 값을 false로 변경해도, thread는 이를 알지 못한다. (가시성 문제)
    }

}

즉, 한 스레드가 공유 자원(공유 변수)을 변경해도, 다른 스레드는 이를 인식하지 못하고 캐싱된 값을 사용합니다. 이를 가시성 문제라고 합니다.

`volatile` 키워드

volatile로 선언하면 항상 RAM에서 데이터를 읽고 쓰게 강제하여 가시성 문제를 해결할 수 있습니다.

원자성 문제 (Atomicity)

하나의 연산 과정이 여러 단계로 나뉘면서, 과정 중에 다른 스레드가 중간 상태의 데이터를 관찰하여 일관되지 않은 값을 일으키는 문제입니다.

읽기(Read) -> 연산(Operate) -> 쓰기(Write)
예를 들어, count++; 더하기 연산을 하게 되면,
1) 변수 count(=0) 읽고, -> 2) CPU 연산 수행 (+1) -> 3) 다시 메모리에 count(=1) 쓴다.
한 스레드가 count 연산하는 중에, 다른 스레드가 count를 읽어간다면 예상한 결과가 나오지 않습니다.

class SampleTest {

    private static int count = 0;

    @Test
    void atomicTest() throws InterruptedException {
        Runnable task = () -> {
            for (int i = 0; i < 10_000; i++) {
                count++; // 읽기 -> 연산 -> 쓰기 (3단계)
            }
        };

        Thread thread1 = new Thread(task);
        Thread thread2 = new Thread(task);

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println("count = " + count); // 20_000이 나와야 하는데 그렇지 않음
        assertThat(count).isLessThan(20_000);
    }

}

결과를 보면 20000에 한참 미치지 못하는 것을 볼 수 있다.

`AtomicInteger` 등 `Atomic` 클래스 사용

java.util.concurrent.atomic 패키지 클래스들은 CAS 알고리즘을 통해 원자성을 보장합니다.

private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
count.incrementAndGet();

CAS (Compared-And-Swap) 알고리즘

// CAS 간단 예시 (실행되는 코드는 아님)
int expected = x;  // 예상 값
int newValue = x + 1;  // 새로운 값

// 1. Compare: 공유변수 x가 현재 값(expected)과 같은지 비교
// 2. Swap: 같다면, 변수 x를 변경 값(newValue)으로 교체하고 true 반환
// 3. 다르다면, false를 반환하고 다시 시도
boolean success = compareAndSwap(x, expected, newValue);

if(success) {
    System.out.println("성공적으로 값을 업데이트 했습니다.");
} else {
    System.out.println("다른 스레드가 값을 변경했으므로 다시 시도합니다.");
}

Lock 동기화처럼 Blocking이 아닌 스레드가 계속 연산을 시도할 수 있는 Non-Blocking 방식이기 때문에 성능이 향상됩니다.

참고

sion

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[Java] Iterable과 Iterator

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[Java] 동시성 문제

자바 스터디

동시성과 병렬성

동시성 (Concurrency)

병렬성 (Parallelism)

동시성 문제는 Concurrent한 Task 에서 발생한다.

thread-safe란?

자바의 동시성 이슈를 해결하자.

synchronized 문제점과 내부 동작

synchronized 방법

synchronized 문제점

synchronized 내부 동작

가시성 문제와 원자성 문제

가시성 문제 (Visibility)

`volatile` 키워드

원자성 문제 (Atomicity)

`AtomicInteger` 등 `Atomic` 클래스 사용

CAS (Compared-And-Swap) 알고리즘

참고

[Java] Iterable과 Iterator

[Java] JVM과 GC

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