(2) 자바에서의 동시성 이슈 해결

자바에서의 동기화 기법 - 메모리 영역

자바에서 하나의 프로세스는 메모리를 점유하고 있으며, 그 프로세스 내의 여러 스레드가 자원을 공유하게 됩니다. 여기서 공유되는 자원은 주로 힙 영역에 존재하는 객체와 static 변수 값입니다.

public class Counter {
    public int count = 0;
    
    // 임계영역
    public void increment(){
        count++;
    }
}

public class CounterTest {
    public static void main(String[] args) {
        Counter counter = new Counter();
        
        Runnable task = () -> {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                counter.increment();
            }
        };
        
        Thread thread1 = new Thread(task);
        Thread thread2 = new Thread(task);
        
        thread1.start();
        thread2.start();
        
        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println("total count: " + counter.count);
    }
}

이 코드의 기대 결과는 20000이지만, 실제로는 20000보다 작은 값이 나올 수 있습니다.

이유는 두 스레드가 non-serial schedule 방식으로 겹쳐 실행되기 때문입니다. 위 코드는 공유 자원에 동기화 없이 접근하고 있으며, 하나의 스레드가 자원을 변경하므로 동시성 이슈가 발생할 수 있는 조건을 모두 충족합니다.

해결방법

synchronized

    public synchronized void increment(){
        count++;
    }

간단히 increment() 메서드에 synchronized 키워드를 추가하여 해결할 수 있습니다. 이 방식은 락을 획득하지 못한 다른 스레드를 대기 상태로 만들고, 실행 중인 스레드가 락을 반납할 때 대기 중인 스레드가 실행되도록 합니다.

Atomic 연산

Atomic 연산은 CAS(Compare-And-Swap) 연산을 사용합니다. CAS 연산을 통해 스레드는 직렬적(동기적)으로 처리되며, 하나의 스레드가 작업을 끝내면 다른 스레드가 실행되는 방식으로 동시성 문제를 해결합니다.

Reentrant Lock

ReentrantLock도 비슷한 방식이지만, synchronized와 달리 대기 중인 스레드가 blocked 상태가 아닌 waiting 상태가 되어 다른 스레드가 깨어나게 할 수 있습니다. 이로 인해 무한 대기 문제가 발생하지 않으며, 특정 조건에 따라 스레드를 깰 수 있어 생산자-소비자 문제도 해결할 수 있다는 장점이 있습니다.

자바에서의 동기화 기법 - 디스크

디스크에 저장된 파일에서 동시성 이슈를 해결하려면 OS 레벨에서 제어가 필요합니다.

OS에서 프로세스 레벨 락을 획득하면 락을 얻은 프로세스만 파일에 접근할 수 있으므로, 프로세스 내 스레드 간에도 임계 영역 설정을 통해 자원을 보호해야 합니다.

public class FileLockExample {
    
    public void writeToFile(String fileName, String data) {
        // 프로세스 레벨 락을 위한 FileLock 사용
        try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(fileName, "rw");
             FileChannel channel = file.getChannel()) {
            
            // 파일에 대한 배타적 락 획득 시도
            FileLock lock = channel.lock();
            try {
                // 임계 영역 시작
                synchronized (this) {  // 프로세스 내 스레드 동기화
                    file.seek(file.length());  // 파일 끝으로 이동
                    file.writeBytes(data);     // 데이터 쓰기
                }
                // 임계 영역 끝
            } finally {
                lock.release();  // 락 해제
            }
            
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        FileLockExample example = new FileLockExample();
        
        // 여러 스레드에서 파일 쓰기 시도
        Runnable writeTask = () -> {
            String threadName = Thread.currentThread().getName();
            example.writeToFile("test.txt", 
                "Written by " + threadName + "\n");
        };
        
        // 5개의 스레드 생성
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(writeTask).start();
        }
    }
}