[Java] 자바 동시성 제어 방법

Virtual Thread에 대해서 공부하던 중, Pinned Issue로 인해 스프링 부트 내부 코드의 `synchronized` 키워드를 `ReentrantLock`으로 수정하고 있음을 알게되었다. 하지만 내가 알고 있는 자바 동시성 제어 중 비관적락의 매커니즘은 synchronized 키워드가 유일했다. 이에 `ReentrantLock`과 같은 추가적인 비관적락 메커니즘에 대해 알아봤고 그에 대해 정리해보고자 한다.

 

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1️⃣ Synchronized

Synchronized는 자바에서 가장 간단하게 사용할 수 있는 동시성 제어 방법으로 특정 Blcok 또는 메서드에 붙여서 사용할 수 있다.

public class SynchronizedExample {
    private int a = 0;
    public synchronized void increment() {
        a++;
    }
    public synchronized void decrement() {
        a--;
    }
}

 

위와 같이 메서드에 붙여서 사용할 경우 하나의 메서드에 하나의 스레드만 접근할 수 있음을 의미한다. 여기서 주의해야 할 점은 메서드의 synchronized 키워드를 사용할 경우 해당 메서드를 포함하고 있는 인스턴스(SynchronizedExample) 레벨의 락을 이용하기 떄문에 한 스레드가 increment 메서드를 사용하는 동안 다른 메서드는 increment 메서드는 물론 decrement 메서드에도 접근할 수 없다는 것이다.

 

또한 `public static synchronized void method1()` 과 같이 스태틱 메서드에 동시성 제어를 걸 경우 클래스 레벨에 락을 걸어 해당 클래스의 모든 인스턴스에서 스레드 동시 접근을 제한한다.

public void addName(String name) {
    synchronized(this) {
        lastName = name;
        nameCount++;
    }
    nameList.add(name);
}

 

위와 같이 특정 Block에만 synchronized를 적용함으로써 동시성 제어의 범위를 줄일 수 있다. 위 코드에서 `synchronized(this)`의 `this`는 가장 흔히 사용되는 statement로 `해당 클래스를 다른 스레드가 Locking하고 있지 않다면` 이라는 의미를 가진다. 해당 Statement에 클래스 객체가 아닌 임의의 객체를 사용하여 락을 유연하게 사용하도록 할 수 있는데, 이 것이 `ReetrantLock` 클래스이다.

 

 2️⃣ ReentrantLock

 class X {
   private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
   // ...

   public void m() {
     lock.lock();  // block until condition holds
     try {
       // ... method body
     } finally {
       lock.unlock()
     }
   }
 }

 

특정 Block을 지정하여 동시성 제어를 하고자 할 때 synchronized 키워드를 대신해서 ReentrantLock 객체를 사용할 수 있다. 여기까지만 들었을 때는 synchronized를 ReentrantLock으로 대체하는 이유를 찾기 어려울 것이다.

하지만 스레드가 락을 점유하고 있을 경우 다른 스레드들은 락을 Release 할 때까지 무한정 대기해야하는 synchronized 키워드와는 달리, ReentrantLock 객체는 메서드를 통해 아래와 같은 다양한 기능을 제공한다.

• Lock의 상태를 확인할 수 있다.
• 코드가 단일 블록 형태를 넘어서는 경우 사용 가능 하다.
• 타임 아웃을 지정할 수 있다.
• Condition을 적용해서 대기 중인 쓰레드를 선별적으로 깨울 수 있다.
• lock 획득을 위해 waiting pool에 있는 쓰레드에게 인터럽트를 걸 수 있다.

 

 

➖ ReentrantLock의 주요 메서드

• lock() : Lock을 얻어온다.
• unlock() : Lock을 해제 한다.
• tryLock() : 일정시간을 기다리던가 아니면 지금 즉시 상태를 확인하고 true, false를 return 한다. true인경우 Lock을 얻는다.
• isHeldByCurrentThread() : 현재 Thread가 Lock을 얻었는가?
• hasQueuedThreads() : 해당 객체의 Lock을 얻기위해 기다리는 Threads가 있는가?
• getOwner() :  지금 Lock을 갖고 있는 Thread를 Return 한다.

 

 

Condition

synchronized는 스레드의 종류를 구분하지 않고 공유 객체의 waiting pool에 같이 대기시켜 스레드를 특정할 수 없었지만, 

ReentrantLock과 Condition을 사용하면 스레드의 종류에 따라 구분된 waiting pool에서 따로 기다리도록 하여 선별적인 통지를 가능하게 한다.

private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// Object.wait(), Object.notify()와 달리 여러 개의 대기열을 생성할 수 있다.
private Condition forTask1 = lock.newCondition();
private Condition forTask2 = lock.newCondition();

 

 

ReentrantReadWriteLock

static Runnable addCount(String threadName){
    return
    () -> IntStream
            .range(0, 20000)
            .forEach(i -> {
                  try {
                      if (writeLock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)){
                        System.out.println(threadName + count++);
                      } else {
                        System.out.println(threadName + "failed to acquire, count = " + count);
                      }
                  } catch (InterruptedException e ) {
                  } finally {
                    writeLock.unlock();
                  }
            });
    }
}

 

추가적으로 자바는 `ReentrantReadWriteLock` 클래스를 제공한다. 해당 클래스는 읽기 작업이 주로 일어나는 코드 블럭에서 사용된다. 해당 클래스는 동시에 여러 스레드가 접근 가능한 `readLock`과 하나의 스레드만 접근 가능한 `writeLock`을 제공한다. 아래와 같이 `writeLock.tryLock()`는 락 흭득을 시도하고 성공 여부에 따라 true, false를 반환한다. 또한 해당 메서드는 (time, timeUnit)를 대입함으로써 일정 시간동안 락 흭득을 위해 대기하는 기능을 제공한다.

 

 

3️⃣ Semaphore

세마포어는 자원에 여러 개의 스레드가 접근하는 것을 제어하는 역할을 한다. 위의 synchronized와 ReentrantLock은 하나의 자원에 하나의 스레드만 접근하는 것을 허용하기 때문에 주로 메서드 내의 특정 코드 블럭의 동시성 제어를 위해 사용되는 반면 Semaphore는 ThreadPool 관리, DBCP 관리 등에 사용된다.

Sema

 

• Semaphore​(int permits) : permits 갯수 만큼 세마포어의 Pool이 사용된다고 표시
• acquire​(int permits) : permits 갯수 만큼 세마포어의 Pool이 사용된다고 표시한다. 없으면 하나
• availablePermits() : 사용가능한 Permits 갯수
• drainPermits() : 현 모든 Permits을 취소하고 Availables 상태로 변화 시킨다
• reducePermits​(int reduction) : permit 갯수를 줄인다
• tryAcquire​(int permits, long timeout, TimeUnit unit) : 일정 시간 또는 일정 permit 갯수를 기다렸다가 실패 하면 false 처리한다 . true되면 acquire(int permits)과 같은 효과를 낸다.
• release​(int permits) :사용된Permit을 반환한다.

 

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☑️ 결론

 

위와 같이 Lock을 거는 여러 방법들이 존재하지만 근본적으로 특정 Resource를 Locking한다고 하면 다음과 같은 문제는 해결되지 않는다.

• 여러 스레드가 하나의 Resource를 Locking하면 스레드가 늘어날 수록 속도가 느려진다.
• Dead Lock이 발생할 경우 해결이 어렵고, 발생 가능성도 높기 때문에 개발이 복잡해 진다.

그렇기 때문에 가장 좋은 방법은 공유되는 Resource가 Locking 되지 않게 하는 것이다. 이를 위해 자바에서는 Atomic 클래스를 제공한다. 다음 글에서는 AtomicX와 자바의 동시성 제어 원리에 대해 다뤄보고자한다.