🤿 Deep dive: Java 애플리케이션에서 스레드 안전을 보장하기 위해 해야할 것은 무엇인가?

Intro

멀티스레딩은 중요하다. 한 프로세스 내에서 여러 작업을 동시에 실행해서 시스템 자원을 효율적으로 활용할 수 있고, 처리 성능과 응답성을 향상시킬 수 있기 때문이다.

 

또한, 데이터의 가변성(Mutability)은 중요하다. 프로그램이 동작하면서 상황에 따라 상태가 변화하는게 일반적이기 때문이다.

 

하지만! 멀티스레딩 환경에서 데이터를 변경할 때를 생각해보자.

만약 어떤 변수 a의 값을 Thread-1, Thread-2가 동시에 변경한다면?

서로 다른 시점에 읽어서 변경하고 썼는데, 그 값이 덮어쓰여진다면?

믿을 수 없는 데이터밖에 남지 않게 되겠지....

 

그럼 이제 스레드 안전성(Thread safety)이라는 용어의 의미부터 알아보자.

이 말은 "스레드가 안전하다" 라는 뜻이 아니라, "스레드의 동작으로부터 프로그램이 안전하다"라는 뜻이다.

풀어서 설명하자면, 멀티스레드 컴퓨터 프로그래밍 환경에서 동작하는 프로그램이 예기치 못한 동작이나 경쟁 조건, 데이터 손상 없이 정상적으로 작업이 진행되고 있을 때 Thread-safe 하다 라고 표현한다.

 

 

지금부터, Java 애플리케이션 기준으로 어떻게 스레드 안전성을 보장할 수 있는지에 대해 최대한 깊고 자세히 알아보려고 한다.

❓경쟁 조건이란?
2개 이상의 프로세스나 스레드가 공유 자원(변수, 메모리 등)에 동시에 접근하여 데이터를 읽거나 쓸 때, 접근하는 순서에 따라 실행 결과가 달라지는 상황을 말한다.
이러한 상황이 발생하면 예측할 수 없는, 잘못된 결과가 나올 위험이 있어 동기화 메커니즘을 통해 해결해야 한다.
👉 자세한 내용은 지난 포스팅 참고

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스레드 안전을 보장하기 위한 방법

프로그램의 규모가 커질 수록 특정 변수가 여러 스레드에서 접근되고 있는지 파악하는 것조차 간단하지 않을 수 있다.

뒤늦게 고치기란 쉽지 않으니 ... 따라서 초기 설계 시점부터 의식적으로 스레드 안전하게 설계하는 것이 정말 중요하다!

 

스레드 안전성을 보장하기 위해서는, 경쟁 조건이 발생하면 안된다.

경쟁 조건을 피하는 방법은 관점에 따라 두 가지로 나눠볼 수 있다.

1. 공유 상태 피하기

일단 공유 상태를 피할 수 있다면 최대한 피하자는 것이다.

스레드 간에 공유되는 자원을 최소화하고, 정말 필요한 경우에만 동기화를 적용해야 한다.

구체적으로 어떤 방법들이 있는지 알아보자.

 

1) 상태 정보를 정적 변수 대신 지역 변수에 저장한다.

스레드는 각각 별도의 스택 영역을 가지며, 지역 변수는 이 공간에 저장된다.

따라서, 지역 변수로 선언된 경우 해당 변수는 스레드마다 독립적인 복사본을 가지게 되어 스레드 간에 공유되지 않는다. 이에 따라 경쟁 조건이 발생하지 않으므로 스레드 안전이 자연스럽게 확보된다.

 

2) ThreadLocal 객체를 사용한다.

ThreadLocal은 각 스레드마다 독립적인 변수를 저장·관리할 수 있도록 자바에서 제공하는 클래스이다. 일반 지역 변수는 선언된 스코프를 벗어나면 활용할 수 없지만, ThreadLocal을 사용하면 특정 스레드가 실행하는 모든 코드 범위에서 동일한 변수를 참조할 수 있다.

 

Thread 내부에는 각 스레드별로 하나씩 ThreadLocalMap 인스턴스가 존재한다. 이 ThreadLocalMap은 해당 스레드의 저장소 역할을 하며, 여기에서 ThreadLocal 객체가 키(key)로 사용되고, 그에 대응하는 값이 저장된다.

 

즉, 여러 스레드가 하나의 ThreadLocal 객체를 공유하더라도, 실제 저장되는 값은 각 스레드 간에 별도로 분리되어 존재하기 때문에 서로 영향을 미치지 않는 것이다. 이런 구조 덕분에 멀티스레드 환경에서도 동기화 없이 안전하게 각 스레드만의 독립적인 데이터를 관리할 수 있게 된다.

 

3) Immutable objct를 활용한다.

mutable은 '변경될 수 있는'이라는 뜻이고, 반대로 Immutability는 '변경 불가능성'을 의미한다. 

멀티스레드 환경에서 상태가 변경되지 않는 불변 객체(Immutable Object)는 동기화 없이도 안전하게 공유할 수 있어 스레드 안전을 자연스럽게 보장한다. 

Java에서는 생성 이후 변경될 필요가 없는 변수에 final 키워드를 붙여 변경을 금지한다. final 필드로 선언된 변수는 초기화 이후 값을 바꿀 수 없으며, 이로 인해 값 일관성이 보장되어 여러 스레드가 동시에 접근해도 안전하다.

Java의 String, 래퍼 클래스 등이 좋은 예시이다.

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2. 공유 상태를 피할 수 없는 경우, 동기화 메커니즘 활용하기

하지만 멀티스레드 프로그램에서는 공유 상태가 불가피한 경우가 많다. 이 경우에 적용할 수 있는 스레드 안전 보장을 위한 추가적인 기법들을 알아보자.

 

1) 원자적 연산(Atomic operations)

이 방법은 다른 스레드가 중단할 수 없는 원자적인 연산을 통해서만 공유 자원에 액세스할 수 있게 하는 것이다.

연산 자체가 원자적으로 수행되므로, 다른 스레드가 언제 어떻게 액세스하는지와 상관없이 공유 데이터가 항상 유효한 상태로 유지될 수 있는 것이다.

이러한 원자적 연산은 많은 스레드 Lock 메커니즘의 기본 원리이다.

 

Atomic 클래스 활용

Java는 java.util.concurrent.atomic 패키지에서 다양한 Atomic 클래스들을 제공한다. 

대표적으로 AtomicInteger, AtomicLong, AtomicBoolean, AtomicReference 등이 있다. 

이들은 내부적으로 하드웨어 수준의 원자적 명령어를 사용하여 락 없이 안전한 연산을 보장한다. 

 

주요 메서드:

get(): 현재 값을 반환

set(newValue): 값을 설정

getAndIncrement(), incrementAndGet(): 값을 원자적으로 1 증가

compareAndSet(expectedValue, newValue): 기대값과 실제 값이 일치하면 새 값으로 원자적 교체

 

사용 예시:

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicExample {
    private AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);

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

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

 

2) 상호 배제(Mutual exclution) 및 synchronized 키워드 활용

이 방법은 공유 자원에 대한 액세스를 항상 하나의 스레드만 가능하도록 하는 매커니즘이다.

항상 하나의 스레드만 공유 데이터를 읽거나 쓸 수 있게 한다는 것이다.

이 매커니즘을 부적절하게 사용하면,  deadlocks, livelocks,  resource starvation과 같은 부작용이 있을 수 있다.

자바에서는 synchronized 키워드를 활용하여 임계영역을 보호할 수 있다.

이는 한 시점에 하나의 스레드만 공유 자원에 접근하도록 보장하여 경쟁 조건을 방지한다.

메서드나 코드 블록에 적용이 가능하며, 락이 걸린 동안 다른 스레드는 대기하게 된다.

 

다음 예시 메서드 inc()는 synchronized 키워드 덕분에, thread safe하게 동작한다.

class Counter {
    private int i = 0;

    public synchronized void inc() {
        i++;
    }
}

❓교착 상태(DeadLock)란?
교착 상태는 둘 이상의 스레드가 서로 상대방이 점유한 자원의 해제를 기다리느라 무한히 대기하며 작업을 진행하지 못하는 상태를 의미한다. 
즉, 스레드 A는 자원 1을 점유한 채 자원 2를 기다리고 있고, 동시에 스레드 B는 자원 2를 점유한 채 자원 1을 기다리는 상황처럼 서로가 서로의 자원을 기다리면서 영원히 대기 상태에 빠지는 현상이다.
교착 상태가 발생하려면 다음 네 가지 조건이 모두 성립해야 한다고 알려져 있다:
1. 상호 배제(Mutual Exclusion): 자원은 한 번에 하나의 스레드만 사용할 수 있다.
2. 점유와 대기(Hold and Wait): 자원을 점유한 상태에서 추가 자원을 기다린다.
3. 비선점(No Preemption): 다른 스레드가 점유한 자원을 강제로 빼앗을 수 없다.
4. 순환 대기(Circular Wait): 스레드 집합 내에서 서로가 점유한 자원을 순환 형태로 기다린다.
교착 상태가 발생하면 관련 스레드들이 무한 대기 상태에 빠져 프로그램이 멈추거나 응답하지 않는 등의 심각한 문제가 발생한다.

❓LiveLock이란?

❓Starvation이란?

 

3) Lock 활용

더 세밀한 제어가 필요할 때는 java.util.concurrent.locks 패키지의 ReentrantLock 같은 락 클래스를 사용한다. 

락 획득과 해제를 명시적으로 관리할 수 있어, 조건부 락이나 타임아웃 락 구현에 용이하다.

락 메커니즘 관련한 세부 내용은 기존 포스팅을 참고하자.

4) 동시성 문제가 없는 자료구조 활용

java.util.concurrent 패키지에 존재하는 자료구조들이다.

대표적으로 ConcurrentHashMap, BlockingQueue 등이 있다.

추가 내용

volatile 키워드 활용

스레드는 어떤 변수에 접근할 때 CPU의 캐시와 레지스터를 거친다. 이 과정에서 변수의 값이 변경돼도 바로 메인 메모리로 반영되지 않고 캐시에만 반영될 수 있기 때문에, 다른 스레드가 이 변경된 내용을 바로 인지하지 못하는 가시성 문제가 발생할 수 있다.

이러한 상황을 방지하기 위해 volatile 키워드를 활용할 수 있다. 

volatile 키워드는 자바에서 변수 접근 시 메인 메모리의 최신 값을 읽고 쓰도록 보장한다.
즉, volatile 키워드는 변수의 가시성(visibility)을 보장하여 모든 스레드가 변수의 최신 값을 읽도록 하지만, i++ 같은 복합 연산(읽기 → 연산 → 쓰기)을 원자적으로 처리하지는 못한다. 

따라서 복합 연산에 대해선 synchronized, Lock, Atomic 클래스 등 동기화 메커니즘이나 원자적 연산을 반드시 사용해야 한다.

public class SharedObject {
    public volatile int counter = 0;
}

❓가시성 문제란?
멀티스레드 환경에서 한 스레드가 변경한 공유 변수의 최신 상태를 다른 스레드에서 즉시 확인할 수 없는 상황

추가 조사/확인할 점

• 4)와 1) 의 Atomic 자료구조와 동기화 방식이 어떻게 다른지. 
• 4) 좀더 자세히
• 방식 구분이 적절한지
• 각 방식의 장단점
  • deadlocks, livelocks,  resource starvation과 같은 부작용 추가 조사
  • 해결방법 조사

참고 자료

• http://en.wikipedia.org/wiki/Thread_safety