🚀 "멀티스레드 환경에서 데이터가 꼬인다?! (feat. synchronized, ReentrantLock, volatile)"

멀티스레드 환경에서 개발을 하다 보면, "분명히 공유 변수를 바꿨는데 왜 다른 스레드는 바뀐 걸 모르지?" 같은 문제를 자주 만나게 됩니다. 사실 이는 CPU 캐시 때문입니다. 여러 스레드가 동시에 메모리에 접근하면서 원자성과 가시성 문제가 발생하게 됩니다.

오늘은 자바에서 이런 문제를 해결할 수 있는 대표적인 방법인 synchronized, ReentrantLock, volatile 키워드에 대해 자세히 알아보겠습니다.

🚩 CPU 캐시 문제란 정확히 뭘까요?

현대의 컴퓨터는 여러 개의 CPU 코어가 있고, 각 코어는 자신만의 CPU 캐시를 가지고 있습니다. 스레드가 메인 메모리에서 데이터를 읽으면, 해당 데이터를 자신만의 캐시에 저장하고 사용하게 됩니다. 그런데 한 스레드가 이 캐시에 있는 값을 변경해도, 변경된 값이 메인 메모리에 즉시 반영되지 않을 수 있습니다. 따라서 다른 스레드가 변경된 값을 읽지 못하게 되는 상황이 생기는 것이죠.

이로 인해 발생하는 대표적인 문제가 원자성(Atomicity)과 가시성(Visibility)입니다.

• 원자성: 연산이 중간에 중단되지 않고 한 번에 완료되어야 하는 성질입니다.
• 가시성: 한 스레드에서 변경된 값이 다른 스레드에서도 바로 확인 가능해야 하는 성질입니다.

자바에서의 해결 방법 🔥

이런 문제를 해결하기 위해 자바는 다양한 방법을 제공하는데요, 대표적인 방법으로는 synchronized, ReentrantLock, 그리고 volatile 키워드가 있습니다.

1️⃣ synchronized 키워드

synchronized는 간단하게 메소드 또는 코드 블록을 한 번에 하나의 스레드만 접근할 수 있도록 제한합니다. 이 방식은 원자성과 가시성을 모두 보장합니다.

🔖 예제 코드

class Counter {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;  // 이 연산은 원자적이며 다른 스레드가 방해하지 못합니다.
    }

    public synchronized int getCount() {
        return count; // 다른 스레드도 항상 최신 값을 확인 가능
    }
}

2️⃣ ReentrantLock

ReentrantLock은 synchronized보다 더 유연한 락 메커니즘을 제공합니다. 락 획득 및 해제를 명시적으로 제어할 수 있으며, 조건별로 잠금을 나누거나 인터럽트 가능한 락과 같은 추가 기능도 제공합니다.

예제 코드:

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class SafeCounter {
    private int count = 0;
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void increment() {
        lock.lock();
        try {
            count++; // 원자성을 보장합니다.
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public int getCount() {
        lock.lock();
        try {
            return count;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

3️⃣ volatile 키워드

volatile 키워드는 가시성만 보장합니다. 즉, 다른 스레드가 최신 변경 사항을 즉시 볼 수 있도록 보장하지만, 원자성을 보장하지는 않으므로 주의가 필요합니다.

public class FlagManager {
    private volatile boolean flag = false;

    public void activate() {
        flag = true; // 즉시 메모리에 반영되어 모든 스레드가 확인 가능
    }

    public boolean isFlagSet() {
        return flag;
    }
}

🎯 언제, 어떤 걸 사용해야 할까요?

• synchronized: 간단한 동기화가 필요할 때, 메소드나 코드 블록 단위로 원자성과 가시성을 쉽게 보장하고 싶을 때 사용합니다.
• ReentrantLock: 더 복잡하거나 세밀하게 락을 관리할 필요가 있을 때 사용하면 좋습니다.
• volatile: 간단히 상태를 공유하고, 최신 상태만 반영하면 되는 상황에서 사용하면 좋습니다. 하지만 변경이 자주 있거나 원자성을 보장해야 한다면 부적절합니다.

🚧 주의할 점

동기화 작업을 너무 많이 사용하면 성능이 떨어질 수 있으므로 꼭 필요한 곳에만 적용해야 합니다. 또한 잘못된 동기화 사용은 교착 상태(Deadlock)를 야기할 수 있으므로, 항상 신중하게 설계해야 합니다.

🚀 마무리

자바의 멀티스레딩 환경에서 발생하는 동시성 문제는 어렵고 까다롭지만, 위 방법들을 적절히 사용하면 아주 깔끔하게 해결할 수 있습니다. 다음 프로젝트에서는 원자성과 가시성 문제로 고민하지 마시고, 이 블로그에서 설명한 방법들을 적극적으로 활용해 보세요! 💪