스레드 안전성 Thread Safety

Thread safety

스레드 안전성은 여러 스레드에 의해 동시에 실행되는 경우에도 알고리즘이나 코드 부분이 올바르게 동작할 수 있는 성질을 말한다. 여러 스레드가 동시에 코드를 실행해도 데이터 손상이나 예상치 못한 행동이 발생하지 않는다면 스레드에 안전하다고 할 수 있다.

이에 반해, 스레드 실행의 순서나 타이밍에 따라 결과가 달라지는 경쟁 상태와 같은 문제가 발생한다면 스레드에 안전하지 않다. 스레드에 안전하지 않은 코드는 동시에 또는 멀티스레드 환경에서 안전하게 사용할 수 없게 된다.

 

멀티스레드 환경에서 count 변수를 사용한 예시를 보자.

0으로 초기화된 count 변수가 있고 2개의 스레드가 'increment()' 메소드를 동시에 호출하는 상황을 생각해 보자

public class Counter{

    private int count = 0;


    public void increment() {
        count++;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

 

결론부터 말하면 해당 클래스는 멀리스테드 환경에서 스레드 안전하지 않다. 예를 들어, 두 스레드가 동시에 'count'값을 읽었을 때 같은 값을 얻고, 둘 다 해당 값을 1 증가시킨다면, 실제로는 2만큼 증가해야 되지만 count가 1만 증가하는 상황이 발생할 수 있다.

 

자바에서는 동기화(synchronized)를 사용해서 이 문제를 해결할 수 있다.

public class ThreadSafeCounter {
    private int count = 0;

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

    public synchronized int getCount() {
        return count;
    }
}

 

각 메소드에 'synchronized' 키워드를 추가시키면, 해당 시점에 오직 하나의 스레드만 해당 메소드를 실행할 수 있게 된다. 동시에 접근할 수 있는 상황이 잃어나지 않게 되므로 이제 해당 클래스는 스레드에 안전하다고 할 수 있다.

다만 'synchronized'는 성능 저하가 발생할 수 있기 때문에 필요한 상황에만 사용하는 것이 권장된다.

더 복잡한 상황에서는 'ReentrantLock', 'AtomicInteger' 등과 같은 동시성 제어 메커니즘을 사용하는 방법도 고려해 볼 수 있다.

 

 'synchronized'키워드는 메소드 전체나 특정 블록에 적용할 수 있고,  'synchronized' 블록이나 메소드를 벗어나면 자동으로 잠금이 해제된다는 간편함이 있지만, 세밀한 조건에 따라 잠금을 대기하거나 해제하는 기능을 내장하고 있지 않다.

 

ReentrantLock는 lock()과 unlock() 메소드를 사용하여 더 세밀한 제어가 가능한데, 명시적으로 'unlock()'호출을 통해 수동으로 잠금을 해제해주어야 한다. 세밀한 제어를 위해 'Condition' 인스턴스를 사용하여 특정 조건에서의 대기 및 알림이 가능하다. 또한, 스레드 대기 순서를 보장, 잠금 시도 시 대기 시간 설정, 잠금 상태 검사 등 추가적인 기능도 제공한다.

 

Atomic 클래스 

자바에서 'Atomic' 클래스들을 원자적 연산을 통해 스레드 안전을 보장한다.

원자적 연산(atomic)이란 연산이 중간 단계 없이 끝까지 수행되는 것을 의미한다. 즉, 연산 중 다른 스레드에게 방해받지 않을 수 있게 된다. 예를 들어 'AtomicInteger'의 'incrementAndGet()'메소드는 변수의 값을 안전하게 증가시키고, 증가된 값을 반환한다.

 

 

 

추가적으로 Collection 클래스들에서도 thread safe한 클래스와 스레드에 안전하지 않은 클래스가 있다. 예를 들어 Vector가 스레드에 안전(thread safe)하고 ArrayList가 스레드에 안전하지 않다. 

즉, ArrayList는 여러 스레드가 동시에 값을 변경하는 상황에 취약할 수 있다.

 

만약 ArrayList를 여러 스레드에서 동시에 작업을 해도 안전하게 만들고 싶다면 아래와 같이 객체를 생성할 수 있다.

List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...)); 

 

Vector는 자바의 초기 버전부터 제공된 클래스로, 내부의 모든 주요 메소드들이 이미 'synchronized'로 선언되어 있다. 그러나 모든 메소드에 'synchronized'를 사용하기 때문에, vector는 상대적으로 오버헤드가 커서 스레드 경합이 심한 멀티 스레드 환경에서 성능 저하가 발생할 수 있다.

 

Collections.synchronizedList는 필요한 부분에만 동기화를 적용할 있기 때문에, 이러한 오버헤드를 줄일 수 있다. 따라서 병렬처리와 관련된 성능 최적화가 필요한 경우 등, 확장성 측면에서 vector 사용보다 더 유리하다.