JAVA (26) - synchronized와 동기화
1. 개요
멀티스레드(Multi-thread) 환경에서는 여러 스레드가 하나의 공유 자원에 동시에 접근하여 값을 읽거나 수정할 수 있다. 이때 적절한 제어가 이루어지지 않으면 데이터의 일관성이 깨지는 신뢰성 문제가 발생한다.
자바에서는 이러한 멀티스레드 환경에서 발생할 수 있는 스레드 간의 충돌을 방지하고, 하나의 스레드 작업이 끝나기 전까지 다른 스레드가 제어권을 빼앗지 못하도록 방어하는 기술을 동기화(Synchronization)라고 한다. 자바는 이를 구현하기 위해 synchronized 키워드와 Monitor(모니터) 메커니즘을 제공한다.
2. 프로세스 메모리와 임계 영역(Critical Section)
동기화를 이해하려면 먼저 멀티스레드 환경에서 메모리가 어떻게 공유되는지 이해해야 한다.
- 공유 영역: Heap(힙) 영역과 Static(메서드) 영역은 모든 스레드가 공유한다.
- 독립 영역: Stack(스택) 영역은 스레드마다 독립적으로 할당된다.
따라서 Heap 영역에 위치한 객체의 인스턴스 변수나 Static 변수는 모든 스레드가 동시에 접근할 수 있는 대상이다. 이때 동시 접근 시 문제가 발생할 수 있는 코드 영역을 임계 영역(Critical Section)이라고 부르며, 자바는 이 임계 영역에 Lock(락)을 걸어 동기화를 보장한다.
3. synchronized 키워드의 사용법
자바에서 synchronized 키워드는 크게 두 가지 방식으로 사용된다.
① 메서드 전체 동기화
메서드 선언부에 synchronized를 붙이는 방식이다. 해당 메서드가 호출되면, 메서드가 속한 객체(Instance)의 Lock을 획득하게 된다.
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public synchronized void withdraw(int money) {
if (balance >= money) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {}
balance -= money;
}
}
② 동기화 블록(Synchronized Block)
메서드 전체에 Lock을 걸면 성능 저하가 발생할 수 있다. 특정 코드 구간만 동기화가 필요한 경우 블록 단위로 지정할 수 있다.
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public void withdraw(int money) {
// 동기화가 필요 없는 로직...
synchronized(this) { // Lock을 걸 객체 지정
if (balance >= money) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {}
balance -= money;
}
}
}
4. 모니터(Monitor)와 락(Lock)의 작동 원리
자바의 모든 객체는 내부적으로 하나의 Lock(intrinsic lock 또는 monitor lock)을 가지고 있다.
- 스레드가
synchronized영역에 진입하려고 하면 해당 객체의 Lock을 요청한다. - 획득에 성공한 스레드만 임계 영역을 실행할 수 있다.
- 다른 스레드가 이미 Lock을 선점하고 있다면, 나머지 스레드들은 Lock이 반환될 때까지 BLOCKED(대기) 상태로 전환된다.
- 임계 영역의 코드가 끝난 스레드는 Lock을 반환하고 대기 중인 스레드 중 하나가 Lock을 가져간다.
5. wait()와 notify()를 이용한 스레드 제어
동기화 영역 내부에서 스레드 간의 효율적인 순서 제어를 위해 Object 클래스의 wait(), notify(), notifyAll() 메서드를 사용한다.
wait(): 현재 스레드가 획득한 Lock을 내려놓고 대기 상태(WAITING)로 들어간다.notify(): 대기 중인 스레드 중 하나를 깨워 실행 가능 상태(RUNNABLE)로 만든다.notifyAll(): 대기 중인 모든 스레드를 깨운다.
주의:
wait()와notify()는 반드시synchronized블록 내부에서만 호출할 수 있다.
6. 예시
1. 동기화가 필요한 이유 (동시성 문제 예시)
동기화를 적용하지 않았을 때 어떤 문제가 발생하는지 은행 계좌 출금 예제로 확인한다.
동기화 미적용 코드
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class Account {
private int balance = 1000;
public int getBalance() {
return balance;
}
// 동기화가 처리되지 않은 출금 메서드
public void withdraw(int money) {
if (balance >= money) {
try {
// 스레드 작업 지연을 가상으로 구현 (문제 발생 가능성 극대화)
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
balance -= money;
}
}
}
class ThreadExample implements Runnable {
Account acc = new Account();
@Override
public void run() {
while (acc.getBalance() > 0) {
// 100원, 200원, 300원 중 랜덤으로 출금 시도
int money = (int) (Math.random() * 3 + 1) * 100;
acc.withdraw(money);
System.out.println("현재 잔액: " + acc.getBalance());
}
}
}
위 코드를 두 개 이상의 스레드가 동시에 실행하면 잔액 검사(if (balance >= money)) 조건문을 통과한 후 다른 스레드가 먼저 출금을 진행하여 잔액이 마이너스(-)가 되는 문제가 발생한다.
2. synchronized 키워드 사용 예시
synchronized 키워드는 메서드에 적용하거나 코드 블록 단위로 적용하여 위의 문제를 해결한다.
① 메서드 동기화 (Method Synchronization)
메서드 선언부에 synchronized를 작성하여 메서드 전체를 임계 영역으로 지정한다.
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public synchronized void withdraw(int money) {
if (balance >= money) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
balance -= money;
}
}
② 동기화 블록 (Synchronized Block)
메서드 전체에 Lock을 걸지 않고, 최소한의 공유 자원 접근 영역만 블록으로 감싸 성능 저하를 줄인다.
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public void withdraw(int money) {
// 동기화가 필요 없는 일반 검증 로직
System.out.println("출금 요청 금액: " + money);
synchronized (this) { // this 객체의 Lock을 획득
if (balance >= money) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
balance -= money;
}
}
}
3. wait()와 notify()를 이용한 생산자-소비자 패턴 예시
스레드가 조건이 맞지 않을 때 락을 계속 잡고 기다리는 대신, wait()로 락을 반납하고 notify()로 제어권을 넘겨주는 대표적인 사용예시다.
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class Table {
private String dish;
// 음식을 추가하는 메서드 (생산자)
public synchronized void addDish(String dishName) {
while (this.dish != null) {
System.out.println("테이블에 음식이 이미 있습니다. 대기합니다.");
try {
wait(); // 음식이 비워질 때까지 대기 (Lock 반납)
} catch (InterruptedException e) {}
}
this.dish = dishName;
System.out.println("요리사가 음식을 올렸습니다: " + dishName);
notify(); // 대기 중인 손님 스레드를 깨움
}
// 음식을 먹는 메서드 (소비자)
public synchronized void removeDish() {
while (this.dish == null) {
System.out.println("음식이 아직 없습니다. 대기합니다.");
try {
wait(); // 음식이 나올 때까지 대기 (Lock 반납)
} catch (InterruptedException e) {}
}
System.out.println("손님이 음식을 먹었습니다: " + this.dish);
this.dish = null;
notify(); // 대기 중인 요리사 스레드를 깨움
}
}
7. 정리
- 동기화(Synchronization)는 멀티스레드 환경에서 데이터 일관성을 지키기 위해 필수적인 기술이다.
synchronized키워드를 사용하면 객체당 1개만 존재하는 Lock을 기반으로 임계 영역을 보호할 수 있다. synchronized의 기준은 ‘클래스’가 아닌 ‘객체 인스턴스’다.- 무분별한 메서드 동기화는 프로그램의 전체적인 성능 저하(병목 현상)를 유발하므로, 가능한 한 동기화 블록을 이용해 최적의 범위만 지정하는 것이 권장된다.