[Java] Synchronization

SeongWon Oh·2021년 8월 21일

Java

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Multi-thread Programmign의 동기화

Critical Section/ Semaphore

Critical Section
- critical section은 두개 이상의 thread가 동시에 접근하는 경우 문제가 생길 수 있기 때문에 동시에 접근할 수 없는 영역이다.
- - 각각의 process들은 shared data를 접근하는 부분에 critical section이라고 불리는 code segment를 갖고 있다.
- 동시간대에 하나의 process만 critical section을 실행할 수 있다.
- 각각의 process들은 critical section에 들어갈 때 entry section에서 permission에 대해 물어보고 사용 가능하면 들어간다. 실행을 마치면 exit section을 통해 사용을 마쳤다는 것을 알리고 remainder section을 이어서 실행시킨다.
Semaphore
- 특별한 형태의 시스템 객체이며 get/release 두개의 기능이 있다.
- semaphore는 오직 하나의 thread만이 얻을 수 있으며, 이를 얻지 못한 다른 thread들은 blocking상태로 있는다.
- semaphore를 얻은 thread만이 critical section에 접근할 수 있다.

👨🏻‍💻 Example Code

잘못 짠 코드의 예시

다음 코드에서 p와 pw가 공유된 자원을 사용하는데 p의 시간이 0.2초보다 오래 걸린다면 p와 pw사이에는 동기화가 이루어지지 않아 결과 값이 잘못된 값이 나올 것이다.
-> 이러한 문제를 해결하기 위해 동기화가 필요하다.

	Park p = new Park();
	p.start();
		
	try {
		Thread.sleep(200);
	} catch (InterruptedException e) {
		// TODO Auto-generated catch block
		e.printStackTrace();
	}
		
	ParkWife pw = new ParkWife();
	pw.start();

Synchronization(동기화)

두 개의 thread가 같은 객체에 접근할 경우 동시에 접근함으로써 이상한 결과값이 나오는 등의 오류가 발생한다.
그래서 thread들이 critical section에 접근하는 경우 공유 자원들을 lock/unlock작업을 통해 다른 thread들의 접근을 제어해줘야한다. 이것을 Synchronization이라고 한다.
동기화를 잘못 구현한다면 deadlock에 빠질 수 있다.

synchronized method, synchronized block

자바에서 동기화를 하기 위해서는 synchronized method 또는 synchronized block을 사용한다.
자바에서는 deadlock을 방지하는 기술이 제공되지 않으므로 되도록이면 synchronized 메서드에서 다른 synchronized 메서드는 호출하지 않도록 한다.
Synchronized block
- Synchronized method를 만들지 않아도 block안에 있는 객체들을 lock을 걸어준다.
- 괄호에는 lock을 걸 resource를 적으면 된다.
- 👨🏻‍💻 Example Code

	synchronized (SyncMain.myBank) {
			System.out.println("Start save");
			SyncMain.myBank.saveMoney(3000);
			System.out.println("saveMoney(3000) : "+ SyncMain.myBank.getMoney());
		}

Synchronized method
- 객체의 method에 synchrinized 키워드를 사용하여 해당 method에 속해있는 객체들에 lock을 걸어준다.
- 👨🏻‍💻 Example Code

	public synchronized void minusMoney(int minus) {
		int m = getMoney();
		
		try {
			// 0.2초간 중지
			Thread.sleep(200);
		}catch(InterruptedException e) {
			e.printStackTrace(); 
		}
		setMoney(m - minus);
	}
	
	public int getMoney() {
		return money;
	}

	public void setMoney(int money) {
		this.money = money;
	}

## wait()/notify() method - 다른 thread에서 사용하는 것과 같은 어떠한 조건에서 thread는 리소스를 wait()상태로 기다리게 된다.

wait()상태가 된 Thread들은 notify()가 호출 될 때까지 기다리게되며 유효한 자원이 생기면 notify()가 호출되고 wait()하고 있는 Thread 중에서 무작위로 하나의 Thread를 재시작시킨다.
notify()는 Thread들 중 무작위로 하나를 실행시키는 것이라 starvation과 같은 문제가 발생할 수 있다.
자바는 그리하여 notifyAll()을 호출하여 wait()하고 있는 모든 Thread를 재시작하여 경쟁 상태를 만드는 것을 권장한다.이 경우 유효한 리소스만큼의 Thread만이 수행될 수 있고 자원을 갖지 못한 Thread의 경우는 다시 wait() 상태로 만든다.

👨🏻‍💻 Example Code

import java.util.ArrayList;
// 책이 없으면 기다렸다가 책을 빌리는 코드
class FastLibrary{
	public ArrayList<String> shelf = new ArrayList();
	
	public FastLibrary() {
		shelf.add("태백산맥 1");
		shelf.add("태백산맥 2");
		shelf.add("태백산맥 3");

	}
	
	public synchronized String lenBook() throws InterruptedException {
		Thread t = Thread.currentThread();
		while (shelf.size()==0) {
			// if문으로만 한다면 wait이 풀렸을때 
			// 운이 안좋게 다른 누군가가 풀린 자원을 가져가서 실행을 못할 수 있음
			System.out.println(t.getName() + " waiting start");
			// 책이 없으면 notify가 있을때까지 대기
			wait();
			// wait이 끝나면 아래 코드 실행
			System.out.println(t.getName() + " waiting end");
		}
		
		if(shelf.size() > 0) {
			// ArrayList에서 0번째 있는 책을 대여
			String book = shelf.remove(0);
			System.out.println(t.getName() + ": "+ book + " lend");
			return book;
		}
		else return null;
		
	}
	
	public synchronized void returnBook(String book) {
		Thread t = Thread.currentThread();
		shelf.add(book);
		// 책이 return되면 notify가 실행
		notify();
		// notifyAll();도 사용 가능
		System.out.println(t.getName() + ": "+ book + " return ");
	}
}


// 책을 빌리는 학생 class (Thread로 구현)
class Student extends Thread {
	
	public Student(String name) {
		super(name);
	}
	public void run() {
		try {
			String title = LibraryMain.library.lenBook();
			if(title == null) {
				System.out.println(getName()+" 빌리지 못했음");
				return;
			}
			sleep(5000);
			LibraryMain.library.returnBook(title);
		} catch (InterruptedException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
		
		
	}
}

public class LibraryMain {
	
	public static FastLibrary library = new FastLibrary();
	
	public static void main(String[] args) {
		// TODO Auto-generated method stub
		Student std1 = new Student("std1 ");
		Student std2 = new Student("std2 ");
		Student std3 = new Student("std3 ");
		Student std4 = new Student("std4 ");
		Student std5 = new Student("std5 ");
		Student std6 = new Student("std6 ");
		
		
		std1.start();
		std2.start();
		std3.start();
		std4.start();
		std5.start();
		std6.start();
	}
}