Java - Lock Condition

INHEES·2025년 1월 3일

금일은 Java Thread 의 생산자와 소비자 문제에 있어 앞서 포스팅 글에서의 비효율성을 해결하는 방법에 대해 알아보겠습니다.

Lock Condition

앞서 포스팅에 작성한 코드에 Lock 인터페이스오 ReentrantLock 구현체를 사용해서 구현해 보겠습니다.


    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition producerCond = lock.newCondition();
    private final Condition consumerCond = lock.newCondition();

    private final Queue<String> queue = new ArrayDeque<>();
    private final int max;

    public BoundedQueueV5(int max) {
        this.max = max;
    }

    @Override
    public void put(String data) {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.size() == max) {
                log("[put] 큐가 가득 참, 생산자 대기");
                try {
                    producerCond.await();
                    log("[put] 생산자 깨어남");
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            queue.offer(data);
            log("[put] 생산자 데이터 저장, consumerCond.signal() 호출");
            consumerCond.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }

    }

    @Override
    public String take() {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.isEmpty()) {
                log("[take] 큐에 데이터가 없음, 소비자 대기");
                try {
                    consumerCond.await();
                    log("[take] 소비자 깨어남");
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            String data = queue.poll();
            log("[take] 소비자 데이터 획득, producerCond.signal() 호출");
            producerCond.signal();
            return data;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

condition 변수는 대기 집합을 의미합니다.
- ReentrantLock 을 사용하는 스레드가 대기하는 스레드 대기 공간입니다.
- ReentrantLock 은 내부에 락과, 락 획득을 대기하는 스레드를 관리하는 대기 큐가 있습니다.
기존의 wait() 함수는 condition.await() 함수로 변경합니다.
notify() 함수는 condition.signal() 함수로 변경합니다.
put, take 함수 안에는 lock.lock() 함수와 try 구문의finally 안에 unlock() 함수는 필수이다.
put() 함수에서의 생산자와 소비자의 condition 함수의 배치순서를 유의해야한다.

Condition.signal() 함수는 Object.notify() gka수와는 다르게 임의의 스레드를 깨우는 것이 아니라 fifo 순서로 깨우게 된다. 이 부분은 자바 버전과 구현에 따라 달라질 수 있지만 보통 Queue 구조를 사용하기 때문에 fifo 순서를 유지합니다.

또한 syncronized 블록 내에서 모니터 락을 가지는 스레드 호출이 아니라 ReentrantLock 을 가지고 있는 스레드가 호출해야 합니다.

스레드의 대기

사실은 BLOCKED 상태의 스레드도 자바 내부에서 따로 관리된다.

c2,c3 가 단순히 BLOCKED 상태돌 변경만 된것이 아니라 내부의 자료구조에 의해 관리 되어 지는 것이다.

스레드 대기 집합에 있는 c1 이 스레드 대기 집합을 빠져 나오게 되면 락을 얻어서 락 대기 집합까지 빠져나가야 임계 영역을 수행할 수 있는 것이다.

만약 락을 획득할 수 없으면 락 대기 집합에서 관리 되는 것이다.

정리

자바의 모든 객체 인스턴스는 멀티스레드와 임계 영역을 다루기 위해 내부에 3가지 기본 요소를 가지게 됩니다.

모니터 락
락 대기집합(모니터 락 대기 집합)
스레드 대기 집합

이 3가지 요소는 서로 맞물려 돌아간다.

synchronized 를 사용한 임계 영역에 들어가려면 모니터 락이 필요하다.
모니터 락이 없으면 락 대기 집합에 들어가서 BLOCKED 상태로 락을 기다린다.
모니터 락을 반납하면 락 대기 잡합에 있는 스레드 중 하나가 락을 획득하고 BLOCKED -> RUNNABLE 상태가
된다.
wait() 를 호출해서 스레드 대기 집합에 들어가기 위해서는 모니터 락이 필요하다.
스레드 대기 집합에 들어가면 모니터 락을 반납한다.
스레드가 notify() 를 호출하면 스레드 대기 집합에 있는 스레드 중 하나가 스레드 대기 집합을 빠져나온다. 그
리고 모니터 락 획득을 시도한다.
- 모니터 락을 획득하면 임계 영역을 수행한다.
- 모니터 락을 획득하지 못하면 락 대기 집합에 들어가서 BLOCKED 상태로 락을 기다린다