[Effective Java] 공유 중인 가변 데이터는 동기화해 사용하라

동기화란?

• 해당 메서드나 블록을 한번에 한 스레드씩 수행하도록 보장

동기화의 기능

• 동기화는 일관성이 깨진 상태를 볼 수 없게 하는 것은 물론, 동기화된 메서드나 블록에 들어간 스레드가 같은 락의 보호하에 수행된 모든 이전 수정의 최종 결과를 보게 해준다
• 동기화가 없다면 한 스레드가 저장한 값이 다른 스레드에게 언제 '보일지' 알 수 없다. 동기화는 배타적 실행 뿐 아니라 스레드 사이의 안정적인 통신에 꼭 필요하다.

잘못된 코드

public class StopThread {
    private static boolean stopRequested;

    public static void main(String[] args) {
        Thread backgroundThread = new Thread(() -> {
            int i = 0;
            while(!stopRequested)
                i++;

        });
        backgroundThread.start();

        TimUnit.SECONDS.sleep(1);
        stopRequested = true;
    }

}

• 동기화 작업이 되어있지 않아 메인스레드가 수정한 값을 백그라운드 스레드가 언제쯤 보게 될지 알수 없다

동기화 적용된 코드

public class StopThread {
    private static boolean stopRequested;

    private static synchronized void requestStop() {
        stopRequested = true;
    }

    private static synchronized boolean stopRequested() {
        return stopRequested;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread backgroundThread = new Thread(() -> {
            int i = 0;
            while(!stopRequested())
                i++;

        });
        backgroundThread.start();

        TimUnit.SECONDS.sleep(1);
        requestStop();
    }

}

• 쓰기와 읽기 모두가 동기화되지 않으면 동작을 보장하지 않는다

volatile

• volatile 한정자는 배타적 수행과는 상관없지만 항상 가장 최근에 기록된 값을 읽게 됨을 보장한다.

public class StopThread {
    private static volatile boolean stopRequested;

    public static void main(String[] args) {
        Thread backgroundThread = new Thread(() -> {
            int i = 0;
            while(!stopRequested)
                i++;

        });
        backgroundThread.start();

        TimUnit.SECONDS.sleep(1);
        stopRequested = true;
    }

}

• volatile는 주의해서 사용해야 한다

private static volatile int nextSerialNumber = 0;

public static int generateSerialNumber() { 
    return nextSeriaINumber++;
}

• 문제는 중가 연산자(++)다. 이 연산자는 코드상으로는 하나지만 실제로는 nextSerialNumber 필드에 두 번 접근한다.
• 먼저 값을 읽고, 그런 다음 (1 증가 한) 새로운 값을 저장하는 것이다. 만약 두 번째 스레드가 이 두 접근 사이를 비집고 들어와 값을 읽어가면 첫 번째 스테드와 똑같은 값을 돌려받게 된다.
• 프로그램이 잘못된 결과를 계산해내는 이런 오류를 안전 실패(safety failure)라고한다.
• generateSerialNumber메소드에synchronized한정자를 붙이고 필드에 volatile를 제거하면 해결된다
• 더 우수한 해결책은 성능도 우수하고 락없이 스레드 안전한 클래스 사용

private static final AtomicLong nextSerialNum = new AtomicLong();

public static long generateSerialNumber() { 
    return nextSerialNum.getAndlncrement();
}

문제를 피하는 가장 좋은 방법

• 가장 좋은 방법은 애초에 가변 데이터를 공유하지 않는 것이다. 불변 데이터판 공유하거나 아무것도 공유하지 말자.
• 가변 데이터는 단일 스레드에서만 쓰도록 하다 혹은 한 스레드가 데이터를 다 수정한 후 다른 스레드에 공유 할 때는 해당 객체에서 공유하는 부분만 동기화 해도 된다. 이런 객체를 사실상 불변(effectively immutable)이라 하고 다른 스레드에 이런 객체를 건네는 행위를 안전 발행(safe publication)이라 한다.

핵심 정리

여러 스레드가 가변 데이터를 공유한다면 그 데이터를 읽고 쓰는 동작은 반드시 동기화 해야 한다. 동기화하지 않으면 한 스레드가 수행한 변경을 다른 스레드가 보지 못할 수 도 있다, 공유되는 가변 데이터를 동기화하는 데 실패하면 응답 불가 상태에 빠지거나 안전 실패로 이어질 수 있다. 이는 디버깅 난이도가 가장 높은 문제에 속한다. 간헐적이거 나 특정 타이밍에만 발생할 수도 있고, VM에 따라 현상이 달라지기도 한다. 배타적 실행 은 필요 없고 스레드끼리의 통신만 필요하다면 volatile 한정자만으로 동기화할 수 있 다. 다만 올바로 사용하기가 까다롭다.