synchronized
참고 자료
- haha
- Jakob Jenkov - https://www.youtube.com/watch?v=eKWjfZ-TUdo
- oracle java tutorial - https://docs.oracle.com/javase/tutorial/essential/concurrency/sync.html
- 쉬운코드 - https://youtu.be/Dms1oBmRAlo?t=1275
자바에는 동시성 처리를 위해 다양한 방식을 제공합니다.
구체적인 이용 방식이나 효과는 모두 다르지만 보통
- synchronized 키워드
- volatile 키워드
java.util.concurrent패키지의 Atomic 자료형 클래스들java.lang.ThreadLocal클래스
가 대표적인 동시성 처리를 위해 자바가 지원하는 키워드와 클래스 들입니다.
이 자료에서는 가장 대표적이고 널리 활용되는 synchronized 키워드에 대해서 알아보겠습니다.
1. Synchronized 키워드¶
synchronized 로 선언된 메서드, 블락은 한 시점에 하나의 쓰레드에 의해서만 실행 될 수 있습니다.
public class SynchronizedExchanger {
protected Object object = null;
public synchronized Object getObject() { // (1)
return object;
}
public synchronized void setObject(Object object) { // (1)
this.object = object;
}
public Object getObj(){
synchronized (this){ // (2)
return object;
}
}
public void setObj(Object o) {
synchronized (this) { // (2)
this.object = o;
}
}
}
synchronzied methodsynchronized staement
synchronized 키워드에는 항상 monitor 가 전달되어야 합니다. 위 예시에서 synchronized 블락에는 this 로 객체 자신을 모니터 오브젝트 로 활용 하였습니다. 메서드에 synchronized 키워드를 활용한다면 인스턴스 메서드에는 this 가 정적 메서드에는 Class<?> 객체가 모니터 오브젝트 로 활용됩니다.
자바의 synchronized 키워드는 항상이 모니터 객체와 함께 동작합니다. 이 객체는 종종 모든 객체가 가지는 내제적인 락 이라는 의미에서 intrinsic lock 혹은 monitor lock 혹은 그냥 monitor 라고도 불립니다. 이 문서에서는 개인적으로 입에 붙은 모니터 객체, 모니터 락 이라는 표현을 주로 사용하겠습니다.
모니터의 자세한 동작방식은 마지막에 알아보겠습니다.
2. 그림으로 보는 Synchronzied 키워드¶
1. 같은 객체 공유¶
Thread 1 과 Thread 2 가 동일한 SynchronizedExchanger 객체를 공유하는 경우
위 코드에서 모든 메서드는 같은 monitor 객체 (this) 를 가지기 때문에 Thread 1 이 setObject 를 호출하는 순간 Thread 2 는 getObject 를 호출 할 수 없습니다. (동기화 블럭으로 선언된 xxxObj 메서드 들도 마찬가지)
2. 서로 다른 객체 활용¶
Thread 1 과 Thread 2 가 각자의 SynchronizedExchanger 객체를 가지는 경우
이렇게 활용하게 되면 Thread1 과 Thread2 에서는 synchronized 를 활용하는 의미가 없습니다. 각 쓰레드가 자신의 SynchronizedExchanger 의 모니터 락을 획득하여 동기화 메서드, 블락에 진입할수 있기 때문입니다. (사실 당연합니다.)
3. Static 메서드와 Synchronzied 키워드¶
public class StaticSynchronizedExchanger {
private static Objectobject= null;
public static synchronized Object getObject() {
return object;
}
public static synchronized void setObject(Object o) {
object= o;
}
public static Object getObj(){
synchronized (StaticSynchronizedExchanger.class){
return object;
}
}
public static void setObj(Object o) {
synchronized (StaticSynchronizedExchanger.class) {
object= o;
}
}
}
전체 쓰레드에서 한 쓰레드만이 synchronized static 메서드를 호출 할 수 있습니다.
3. 복잡하게 모니터 객체를 활용하는 예제 코드¶
1. Static, Instance 메서드에 모두 Synchronized 활용하기¶
public class MixedSynchronizedExchanger {
private static Object staticObject= null;
public static synchronized Object getStaticObject() {
return staticObject;
}
public static void setStaticObj(Object o) {
synchronized (MixedSynchronizedExchanger.class) {
staticObject= o;
}
}
protected Object object = null;
public synchronized void setObject(Object object) {
this.object = object;
}
public Object getObj(){
synchronized (this){
return object;
}
}
}
위 처럼 활용하면 서로다른 두 쓰레드는 동시에 각각 static 메서드와 instance 메서드에 진입할 수 있습니다. 활용하는 모니터 객체가 다르기 때문입니다. 하지만 물론 동시에 모두 static 메서드 혹은 모두 instance 메서드에 진입할 수 는 없습니다.
2. 한 객체에서 여러 모니터 객체 활용하기¶
public class MultipleMonitorObjects {
private Object monitor1 = new Object();
private Object monitor2 = new Object();
private int counter1 = 0;
private int counter2 = 0;
public void incCounter1(){
synchronized (this.monitor1){
this.counter1++;
}
}
public void incCounter2(){
synchronized (this.monitor2){
this.counter2++;
}
}
}
이경우 intCounterN 메서드는 두개의 카운터 필드는 서로 다른 모니터 객체에 의해 동기화 되므로 서로다른 쓰레드에 의해 동시에 실행 될 수 있습니다.
여기서 처음으로 this 가 아니라 별도로 생성한 더미 객체를 모니터 객체로 활용하는 예시가 나왔습니다. 모니터 객체를 적절하게 활용하면 여러 쓰레드간 공유되는 객체에서 전체 객체에 대한 접근을 block 하지 않고 효과적으로 처리 할 수 있습니다. 물론 synchronized 블락 자체도 메서드에 거는 것보다 최소한의 statement 에 거는것이 더 좋습니다.
java.util.concurrent.ConcurrentHashMap 은 이런 전략을 잘 활용한 예시입니다. ConcurrentHashMap 과 @Deprecated 된 java.util.Hashtable 은 모두 동시성 처리를 지원하는 해시맵 자료구조 이지만 그 전략에서 차이가 있습니다. 자세한 내용은 추후 정리해서 업로드 하겠습니다.
3. 서로다른 Class Instance 에서 모니터 객체를 공유하기¶
public class SharedMonitorObject {
private Object monitor = null;
private int counter = 0;
public SharedMonitorObject(Object monitor) {
if(monitor == null){
throw new IllegalArgumentException(
"Monitor object cannot be null."
);
}
this.monitor = monitor;
}
public void incCounter(){
synchronized (this.monitor){
this.counter++;
}
}
}
이런식으로 활용되는 경우가 있을진 모르겠지만 이런식으로도 쓸 수 있다고 합니다
매우 멋지고 Advanced 한 기술이고 잘 쓰면 Fancy 한 동기화 기술을 사용할 수 있지만 정말 잘 동기화 하고 있는가에 대한 검증은 매우매우 어려워진다고 합니다.
4. 모니터 객체를 활용할때 주의 할 점¶
1. Monitor Objects Cannot Be Null¶
- 모니터 객체는 null 이 될 수 없다.
- 모니터 객체가 null 일 경우 동기화 메서드/ 블락 진입시 null pointer exception 이 발생한다.
2. Don't Use String Constant Objects as Monitor Objects¶
- 자바 컴파일러가 마구마구 최적화 해버립니다. 같은 instance 임을 보장 할 수 없음. 마찬가지로 Wrapper 클래스도 사용하면 안됩니다.
3. Java Synchronized Blocks inside Java Lambda Expressions¶
- java 람다 표현식에서는 this 라는 참조를 사용할 수 없으므로 monitor 객체로 this 를 전달 할 수 없습니다.
5. 자바 Synchronized 블락의 한계¶
- 한 시점에 오직 하나의 쓰레드만 synchronzied 블락에 진입할 수 있습니다.
- 두개 이상의 쓰레드의 진입을 허용하기 위해서는 ReenterantLock 과 같은 녀석을 직접활용해야 합니다.
- Waiting 중인 쓰레드 간에 Synchronized 블락에 진입할 쓰레드의 순서를 보장할 수 없습니다.
- 공정하지 않을 수 있으며 경우에 따라서는 Starvation 현상이 발생 할 수도 있습니다.
- JVM 상의 쓰레드 끼리의 동기화만 보장합니다.
- 여러 JVM 인스턴스에서 동시성을 보장하기 위해서는 분산락의 활용이 필요합니다.
6. Synchronized 블락과 성능 오버헤드¶
- 경쟁이 발생하여 쓰레드가 대기하는 상황이 발생한다면 오버헤드가 큽니다.
- 경쟁이 발생하지 않는다고 해도 Lock 을 획득하고 Release 하는 약간의 오버헤드는 발생하게 됩니다.
Question
싱글 쓰레드 환경이라면 StringBuilder 와 StringBuffer 의 성능은 동일할까요?
7. 자바에서 모니터란?¶
- 자바에서의 모니터를 알기위해서 일단 모니터에 대해서 알아야 합니다.
- 이와 관련해서는 추후에 Spin Lock/ Mutex/ Semaphore/ Monitor 를 키워드로 운영체제를 학습할때 글을 올리겠습니다.
- 오늘은 간단히 정리만 하겠습니다.
acquire(mutexLock)
while(!condition){
wait(mutexLock, cv);
}
... 이런 저런 코드 (critical section) ...
signal(cv2); -- OR -- broadcast(cv2);
realease(mutexLock);
- 자바의 모든 객체는 내부적으로 모니터를 가집니다.
- 자바의 모니터는 하나의
뮤텍스 락과 하나의condition variable을 가집니다. 뮤텍스 락은 entry (entrance) queue 를 가집니다.- synchorzied 키워드를 만난 쓰레드는 모두 entry queue 에 들어갑니다.
- 현재 mutex lock 이 이용가능하다면 condition 을 확인하러 가고 그렇지 않다면 mutex lock 이 release 될 때까지 대기합니다.
CV는 waiting queue 를 가집니다.- wait
- 다른 쓰레드에서 notify 혹은 notifyAll 을 통해 깨울 때 까지
- 쓰레드 자기자신을 waiting queue 에 추가합니다.
- notify
- waiting queue 의 가장 앞에 위치한 쓰레드를 깨웁니다.
- 깨어난 쓰레드는 condition 을 확인하고 다시 wait 하거나 critical section 에 진입합니다.
- notifyAll
- waiting queue 의 모든 쓰레드를 깨웁니다.
- wait
Created: December 22, 2022