과도한 동기화는 성능을 떨어뜨리고, 교착상태에 빠뜨리고, 심지어 예측할 수 없는 동작을 낳기도 한다.
응답 불가와 완전 실패를 피하려면 동기화 메서드나 동기화 블록 안에서는 제어를 절대로 클라이언트에 양도하면 안 된다.
동기화된 영역 안에서는 재정의할 수 있는 메서드는 호출하면 안 되며, 클라이언트가 넘겨준 함수 객체를 호출해서도 안 된다. 동기화된 영역을 포함한 클래스 관점에서는 이런 메서드는 모두 외계인이다. 그 메서드가 무슨 일을 할지 알지 못하며 통제할 수도 없다. 외계인 메서드(alien method)가 하는 일에 따라 동기화된 영역은 예외를 일으키거나, 교착상태에 빠지거나 데이터를 훼손할 수도 있다.
동기화 블록에서의 외계인 메서드 호출
동기화 블록에서 외계인 메서드를 호출하는 구체적인 예를 보자.
다음은 어떤 집합을 감싼 래퍼 클래스이고, 이 클래스의 클라이언트는 집합에 원소가 추가되면 알름을 받는 관찰자 패턴이다. 원소 제거 시 알림 기능은 생략했다.
ForwardingSet 은 아이템 18에서 사용한 것을 재사용했다.
public class ObservableSet<E> extends ForwardingSet<E> {
public ObservableSet(Set<E> set) { super(set); }
private final List<SetObserver<E>> observers
= new ArrayList<>();
public void addObserver(SetObserver<E> observer) {
synchronized(observers) {
observers.add(observer);
}
}
public boolean removeObserver(SetObserver<E> observer) {
synchronized(observers) {
return observers.remove(observer);
}
}
private void notifyElementAdded(E element) {
synchronized(observers) {
for (SetObserver<E> observer : observers)
observer.added(this, element);
}
}
@Override public boolean add(E element) {
boolean added = super.add(element);
if (added)
notifyElementAdded(element);
return added;
}
@Override public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
boolean result = false;
for (E element : c)
result |= add(element); // notifyElementAdded를 호출한다.
return result;
}
}관찰자들은 addObserver와 removeObserver 메서드를 호출해 구독을 신청하거나 해지한다. 두 경우 모두 다음 콜백 인터페이스의 인스턴스를 메서드에 건넨다.
public interface SetObserver<E> {
// ObservableSet에 원소가 더해지면 호출된다.
void added(ObservableSet<E> set, E element);
}예외 발생
ObservableSet은 잘 작동할 것으로 보이지만, 클라이언트 코드가 다음과 같다면 어떨까?
public static void main(String[] args) {
ObservableSet<Integer> set =
new ObservableSet<>(new HashSet<>());
set.addObserver(new SetObserver<>() {
public void added(ObservableSet<Integer> s, Integer e) {
System.out.println(e);
if (e == 23) // 값이 23이면 자신을 구독해지한다.
s.removeObserver(this);
}
});
for (int i = 0; i < 100; i++)
set.add(i);
}이 프로그램은 0부터 23까지 출력한 후 관찰자 자신을 구독 해지한 다음 종료하길 기대했지만, 실제로는 23까지 출력한 후 ConcurrentModificationException 을 던진다.
그 이유는 관찰자의 added 메서드 호출이 일어난 시점이 notifyElementAdded 가 관찰자들의 리스트를 순회하는 도중이기 때문이다.
observers.remove 메서드를 호출할 때, notifyElementAdded 메서드에서 이 리스트를 순회하는 도중이기 때문에 허용되지 않은 동작이다. notifyElementAdded 메서드 내의 동기화 블록은 동시 수정이 일어나지 않도록 보장하지만, 정작 콜백을 거쳐 되돌아와 수정하는 것까지 막지는 못한다.
교착상태
이번엔 구독해지를 하는 관찰자가 removeObserver 를 직접 호출하지 않고 실행자 서비스(ExecutorService)를 사용해 다른 스레드에게 부탁하는 예를 보자.
public static void main(String[] args) {
ObservableSet<Integer> set =
new ObservableSet<>(new HashSet<>());
// 쓸데없이 백그라운드 스레드를 사용하는 관찰자
set.addObserver(new SetObserver<>() {
public void added(ObservableSet<Integer> s, Integer e) {
System.out.println(e);
if (e == 23) {
ExecutorService exec =
Executors.newSingleThreadExecutor();
try {
exec.submit(() -> s.removeObserver(this)).get();
} catch (ExecutionException | InterruptedException ex) {
throw new AssertionError(ex);
} finally {
exec.shutdown();
}
}
}
});
for (int i = 0; i < 100; i++)
set.add(i);
}이 프로그램을 실행하면 예외는 발생하지 않지만 교착상태에 빠진다.
백그라운드 스레드가 s.removeObserver 를 호출하면, 관찰자를 잠그려 하지만 락을 얻을 수 없다. notifyElementAdded 메서드를 실행 중이기 때문에 메인 스레드가 락을 쥐고 있기 때문이다. 그리고 메인 스레드는 백그라운드 스레드가 관찰자를 제거하기를 기다리고 있다. (교착상태)
외계인 메서드 호출을 동기화 블록 바깥으로 옮기기
이런 문제는 외계인 메서드 호출을 동기화 블록 바깥으로 옮기면 해결할 수 있다.
notifyElementAdded 메서드에서라면 관찰자 리스트를 복사해 쓰면 락 없이도 안전하게 순회할 수 있다.
private void notifyElementAdded(E element) {
List<SetObserver<E>> snapshot = null;
synchronized(observers) {
snapshot = new ArrayList<>(observers);
}
for (SetObserver<E> observer : snapshot)
observer.added(this, element);
}이 방법 외에도 자바의 동시성 컬렉션 라이브러리의 CopyOnWriteArrayList 를 사용하는 방법도 있다. 이는 ArrayList 를 구현한 클래스로, 내부를 변경하는 작업은 항상 깨끗한 복사본을 만들어 수행하도록 구현되어 있다. 내부의 배열은 절대 수정되지 않으니 순회할 때 락이 필요 없어 매우 빠르다. 다른 용도로 쓰인다면 끔찍이 느리겠지만, 수정할 일이 드믈고 순회만 빈번히 일어나는 관찰자 리스트 용도로는 최적이다.
private final List<SetObserver<E>> observers =
new CopyOnWriteArrayList<>();
public void addObserver(SetObserver<E> observer) {
observers.add(observer);
}
public boolean removeObserver(SetObserver<E> observer) {
return observers.remove(observer);
}
private void notifyElementAdded(E element) {
for (SetObserver<E> observer : observers)
observer.added(this, element);
}열린 호출 (open call)
동기화 영역 바깥에서 호출되는 외계인 메서드를 열린 호출(open call) 이라고 한다. 외계인 메서드는 얼마나 오래 실행될지 알 수 없는데, 동기화 영역 안에서 호출된다면 그 동안 스레드는 보호된 자원을 사용하지 못하고 대기해야만 한다. 따라서 열린 호출은 실패 방지 효과 외에도 동시성 효율을 크게 개선해준다.
기본 규칙은 동기화 영역에서는 가능한 한 일을 적게 하는 것이다. 락을 억고, 공유 데이터를 검사하고, 필요하면 수정하고, 락을 놓는다. 오래 걸리는 작업이라면 아이템 78의 지침을 어기지 않으면서 동기화 영역 바깥으로 옮기는 방법을 찾아보자.
과도한 동기화의 비용
멀티코어가 일반화된 오늘날, 과도한 동기화가 초래하는 진짜 비용은 락을 얻는 데 드는 CPU 시간이 아니다.
바로 경쟁하느라 낭비하는 시간, 즉 병렬로 실행할 기회를 잃고 모든 코어가 메모리를 일관되게 보기 위한 지연시간이 진짜 비용이다. 가상머신의 코드 최적화를 제한한다는 점도 숨겨진 비용이다.
가변 클래스 지침
가변 클래스를 작성한다면 두 선택지 중 하나를 따르자.
-
동기화를 전혀 하지 말고, 그 클래스를 동시에 사용해야 하는 클래스가 외부에서 알아서 동기화하게 하자.
-
동기화를 내부에서 수행해 스레드 안전한 클래스로 만들자. 단, 클라이언트가 외부에서 객체 전체에 락을 거는 것보다 동시성을 월등히 개선할 수 있을 때만 선택해야 한다.
선택하기 어렵다면 동기화하지 말고, 대신 문서에 "스레드 안전하지 않다"고 명시하자.
만약 클래스 내부에서 동기화하기로 했다면, 락 분할(lock splitting), 락 스트라이핑(lock striping), 비차단 동시성 제어(nonblocking concurrency control) 등 다양한 기법을 동원해 동시성을 높여줄 수 있다.
📌 핵심 정리
교착상태와 데이터 훼손을 피하려면 동기화 영역 안에서 외계인 메서드를 절대 호출하지 말자. 일반화해 이야기하면, 동기화 영역 안에서의 작업은 최소한으로 줄이자.
가변 클래스를 설계할 때는 스스로 동기화해야 할지 고민하자.
멀티코어 세상인 지금은 과도한 동기화를 피하는 게 어느 때보다 중요하다. 합당한 이유가 있을 때만 내부에서 동기화하고, 동기화했는지 여부를 문서에 명확히 밝히자(아이템 82).
