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Item79. 과도한 동기화는 피하라 #77

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letmeloveyou82 commented 1 year ago

미리 읽는 결론

동기화 영역 안에서의 작업은 최소한으로 줄이자. 합당한 이유가 있을 때만 내부에서 동기화하고, 동기화했는지 여부를 문서에 명확히 밝히자(아이템 82).

과도한 동기화는 성능을 떨어뜨리고, 교착상태에 빠뜨리고, 심지어 예측할 수 없는 동작을 낳기도 한다.

응답 불가와 안전 실패를 피하려면 동기화 메서드나 동기화 블록 안에서는 제어를 절대로 클라이언트에 양도하면 안 된다. 예를 들어, 동기화된 영역 안에서는 재정의할 수 있는 메서드는 호출하면 안 되며, 클라이언트가 넘겨준 함수 객체를 호출해서도 안 된다. 동기화된 영역을 포함한 클래스 관점에서는 이런 메서드는 모두 바깥 세상에서 온 외계인이다. 그 메서드가 무슨 일을 할지 알지 못하며 통제할 수도 없다는 뜻이다. *외계인 메서드(alien method) 가 하는 일에 따라 동기화된 영역은 예외를 일으키거나, 교착상태에 빠지거나, 데이터를 훼손할 수도 있다.

*외계인 메서드 : 동기화를 잘못 사용하거나 부주의하게 사용할 때 발생하는 예상치 못한 동작을 나타내는 표현

구체적인 예시

다음은 어떤 집합(Set)을 감싼 래퍼 클래스이고, 이 클래스의 클라이언트는 집합의 원소가 추가되면 알림을 받을 수 있다. ⇒ 관찰자 패턴임

핵심만 보여주기 위해 원소가 제거될 때 알려주는 기능은 생략했고 아이템 18에서 사용한 ForwardingSet을 재사용해 구현했다.


// 재사용할 수 있는 전달 클래스 (아이템 18의 코드 18-3 재사용)
public class ForwardingSet<E> implements Set<E> {
    private final Set<E> s;
    public ForwardingSet(Set<E> s) { this.s = s; }

    public void clear()               { s.clear();            }
    public boolean contains(Object o) { return s.contains(o); }
    public boolean isEmpty()          { return s.isEmpty();   }
    public int size()                 { return s.size();      }
    public Iterator<E> iterator()     { return s.iterator();  }
    public boolean add(E e)           { return s.add(e);      }
    public boolean remove(Object o)   { return s.remove(o);   }
    public boolean containsAll(Collection<?> c)
    { return s.containsAll(c); }
    public boolean addAll(Collection<? extends E> c)
    { return s.addAll(c);      }
    public boolean removeAll(Collection<?> c)
    { return s.removeAll(c);   }
    public boolean retainAll(Collection<?> c)
    { return s.retainAll(c);   }
    public Object[] toArray()          { return s.toArray();  }
    public <T> T[] toArray(T[] a)      { return s.toArray(a); }
    @Override public boolean equals(Object o)
    { return s.equals(o);  }
    @Override public int hashCode()    { return s.hashCode(); }
    @Override public String toString() { return s.toString(); }
}
// 관찰자 패턴을 구현하여, 원소가 추가되면 알려주는 집합
public class ObservableSet<E> extends ForwardingSet<E> {
    public ObservableSet(Set<E> set) { super(set); }

// 잘못된 코드. 동기화 블록 안에서 외계인 메서드를 호출한다.
    private final List<SetObserver<E>> observers
            = new ArrayList<>();

    public void addObserver(SetObserver<E> observer) {
        synchronized(observers) {
            observers.add(observer);
        }
    }

    public boolean removeObserver(SetObserver<E> observer) {
        synchronized(observers) {
            return observers.remove(observer);
        }
    }

    private void notifyElementAdded(E element) {
        synchronized(observers) {
            for (SetObserver<E> observer : observers)
                observer.added(this, element);
        }
    }

    @Override public boolean add(E element) {
        boolean added = super.add(element);
        if (added)
            notifyElementAdded(element);
        return added;
    }

    @Override public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        boolean result = false;
        for (E element : c)
            result |= add(element);  // notifyElementAdded를 호출한다.
        return result;
    }
}
@FunctionalInterface public interface SetObserver<E> {
    // ObservableSet에 원소가 더해지면 호출된다.
    void added(ObservableSet<E> set, E element);
}

눈에서 보기엔 ObservableSet은 잘 동작할 것 같다. 예컨대 다음 프로그램은 0부터 99까지를 출력한다.

// ObservableSet 동작 확인 #1 - 0부터 99까지 출력한다.
public static void main(String[] args){
    ObservableSet<Integer> set = new ObservableSet<>(new HashSet<>());

    set.addObserver((s, e) -> System.out.println(e));

    for (int i = 0; i < 100; i++)
        set.add(i);
}

평상시엔 앞서와 같이 집합에 추가된 정숫값을 출력하다가, 그 값이 23이면 자기 자신을 제거(구독해지)하는 관찰자를 추가해보자.

// ObservableSet 동작 확인 #2 - 정숫값이 23이면 자신의 구독을 해지한다.
public static void main(String[] args) {
    ObservableSet<Integer> set = new ObservableSet<>(new HashSet<>());

    set.addObserver(new SetObserver<>() {
        public void added(ObservableSet<Integer> s, Integer e) {
            System.out.println(e);
            if (e == 23) // 값이 23이면 자신을 구독해지한다.
                s.removeObserver(this);
        }
    });

    for (int i = 0; i < 100; i++)
        set.add(i);
}

람다를 사용한 이전 코드와 달리 익명 클래스를 사용했다. s.removeObserver 메서드에 함수 객체 자신을 넘겨야 하기 때문. 람다는 자신을 참조할 수단이 없다.

위의 코드는 잘못된 코드이다. - 예외 발생

  1. 우리가 예상한 결과 : 0부터 23까지 출력한 후 관찰자 자신을 구독해지한 다음 조용히 종료
  2. 실제 실행한 결과 : 23까지 출력한 다음 ConcurrentModificationException을 던짐
  3. 예상한 결과와 실제 실행한 결과가 다른 이유 : 관찰자의 added 메서드 호출이 일어난 시점이 notifyElementAdded가 관찰자들의 리스트를 순회하는 도중이기 때문
    • added 메서드는 ObservableSet의 removeObserver 메서드를 호출하고, 이 메서드는 다시 observers.remove 메서드를 호출한다. 여기서 문제 발생 💥
    • 리스트에서 원소를 제거하려고 하는데, 마침 지금은 이 리스트를 순회하는 도중이다. 즉, 허용되지 않은 동작이다.
    • notifyElementAdded 메서드에서 수행하는 순회 : 동기화 블록 안에 있음 → 동시 수정이 일어나지 않을 것을 보장함. 그러나 정작 자신이 콜백을 거쳐 되돌아와 수정하는 것까지 막지는 못함.

이상한 것을 시도해보자. - 교착상태에 빠짐

구독해지를 하는 관찰자를 작성하는데, removeObserver를 직접 호출하지 않고, 실행자 서비스(ExecutorService, 아이템 80)를 사용해 다른 스레드에게 부탁할 것이다.

// ObservableSet 동작 확인 #3
public static void main(String[] args) {
    ObservableSet<Integer> set = new ObservableSet<>(new HashSet<>());

    // 쓸데없이 백그라운드 스레드를 사용하는 관찰자
    set.addObserver(new SetObserver<>() {
        public void added(ObservableSet<Integer> s, Integer e) {
            System.out.println(e);
            if (e == 23) {
                ExecutorService exec =
                        Executors.newSingleThreadExecutor();
                try {
                    exec.submit(() -> s.removeObserver(this)).get();
                } catch (ExecutionException | InterruptedException ex) {
                    throw new AssertionError(ex);
                } finally {
                    exec.shutdown();
                }
            }
        }
    });

    for (int i = 0; i < 100; i++)
        set.add(i);
}

catch 구문 하나에서 두 가지 예외 잡는 기능(자바 7부터 지원) : 다중 캐치(multi-catch)

  • 장점 : 프로그램 크기 줄이고, 코드 가독성 크게 개선

이 프로그램을 실행한 결과 : 예외는 나지 않지만 교착상태에 빠짐.

*교착상태(Dead Lock) : 상호 배제에 의해 나타나는 문제점으로, 둘 이상의 프로세스들이 자원을 점유한 상태에서 서로 다른 프로세스가 점유하고 있는 자원을 요구하며 무한정 기다리는 현상

사실 관찰자(자원)가 자신을 구독해지하는 데 굳이 백그라운드 스레드를 이용할 이유 없으니 좀 억지스러운 예지만, 여기서 보인 문제 자체는 진짜다. 실제 시스템(특히 GUI 툴킷)에서도 동기화된 영역 안에서 외계인 메서드(added)를 호출하여 교착상태에 빠지는 사례는 자주 있다.

앞서의 두 예(예외와 교착상태)에선 동기화 영역이 보호하는 자원(관찰자)은 외계인 메서드(added)가 호출될 때 일관된 상태였으니 운이 좋았다.

그렇다면, 위와 같은 상황이지만 불변식이 임시로 깨진 경우라면 어떻게 될까?

자바 언어의 락은 재진입(reentrant)을 허용하므로 교착상태에 빠지지는 않는다.

예외를 발생시킨 첫 번째 예에서라면, 외계인 메서드를 호출하는 스레드는 이미 락 쥐고 있어 다음번 락 획득도 성공한다. 그 락이 보호하는 데이터에 대해 개념적으로 관련이 없는 다른 작업이 진행 중인데도 말이다. 이것 때문에 실로 참혹한 결과가 빚어질 수도 있다.

락(lock) : 동시에 여러 스레드가 공유 데이터에 접근하는 것을 제어하기 위한 메커니즘으로, 한 스레드가 락을 쥐고 있다는 것은 그 스레드가 현재 해당 데이터나 자원을 사용 중이고 다른 스레드들은 이를 기다리고 있다는 의미이다.

문제의 주 원인

락이 제 구실을 하지 못했기 때문이다. 재진입 가능 락은 객체 지향 멀티스레드 프로그램을 쉽게 구현할 수 있도록 해주지만, 응답 불가(교착상태)가 될 상황을 안전 실패(데이터 훼손)로 변모시킬 수도 있다.

해결 방법

외계인 메서드 호출을 동기화 블록 바깥으로 옮기면 된다. notifyElementAdded 메서드에서라면 관찰자 리스트를 복사해 쓰면 락 없이도 안전하게 순회할 수 있다. 이 방식을 적용하면 앞서의 두 예제에서 예외 발생과 교착상태 증상이 사라진다.

// 외계인 메서드를 동기화 블록 바깥으로 옮겼다. - 열린 호출
private void notifyElementAdded(E element) {
    List<SetObserver<E>> snapshot = null;
    synchronized(observers) {
        snapshot = new ArrayList<>(observers);
    }
    for (SetObserver<E> observer : snapshot)
        observer.added(this, element);
}

외계인 메서드 호출을 동기화 블록 바깥으로 옮기는 더 나은 방법 : CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList

ObservableSet을 CopyOnWriteArrayList를 사용해 다시 구현하면 메서드들은 다음처럼 바꾸면 된다(add와 addAll 메서드는 수정할 게 없다). 명시적으로 동기화한 곳이 사라졌다는 것에 주목하자.

// CopyOnWriteArrayList를 사용해 구현한 스레드 안전하고 관찰 가능한 집합
private final List<SetObserver<E>> observers = new CopyOnWriteArrayList<>();

public void addObserver(SetObserver<E> observer) {
    observers.add(observer);
}

public boolean removeObserver(SetObserver<E> observer) {
    return observers.remove(observer);
}

private void notifyElementAdded(E element) {
    for (SetObserver<E> observer : observers)
        observer.added(this, element);
}

기본 규칙은 동기화 영역에서는 가능한 한 일을 적게 하는 것이다.

성능 측면에서 바라본 과도한 동기화

자바의 동기화 비용은 빠르게 낮아져 왔지만, 과도한 동기화를 피하는 일은 오히려 과거 어느 때보다 중요.

멀티코어가 일반화된 오늘날, 과도한 동기화가 초래하는 진짜 비용?

가변 클래스를 작성하려거든 다음 두 선택지를 따르자.

  1. 동기화를 전혀 하지 말고, 그 클래스를 동시에 사용해야 하는 클래스가 외부에서 알아서 동기화하게 만들자.
  2. 동기화를 내부에서 수행해 스레드 안전한 클래스로 만들자(아이템 82).

    단, 클라이언트가 외부에서 객체 전체에 락을 거는 것보다 동시성을 월등히 개선할 수 있을 때만 두 번째 방법을 선택해야 한다.

java.util은 이제 구식이 된 Vector와 Hashtable을 제외하고 첫 번째 방식을 취했고, java.util.concurrent는 두 번째 방식을 취했다(아이템 81).

자바의 초창기엔 이 지침 따르지 않은 클래스가 많았다.

예1) StringBuffer 인스턴스는 거의 항상 단일 스레드에서 쓰였음에도 내부적으로 동기화를 수행함. 이는 뒤늦게 StringBuilder가 등장한 이유이기도 함(StringBuilder는 그냥 동기화하지 않은 StringBuffer)

예2) 스레드 안전한 의사 난수 발생기인 java.util.Random은 동기화하지 않은 버전인 java.util.concurrent.ThreadLocalRandom으로 대체됨.

위의 두 가지 선택지 중 선택하기 어렵다면, 동기화하지 말고, 대신 문서에 “스레드 안전하지 않다”고 명기하자.

클래스를 내부에서 동기화하기로 했다면?

아래와 같은 다양한 기법을 동원해 동시성을 높여줄 수 있다.

관심있는 독자는 [Goetz06]과 [Herlihy12]를 살펴보기를!

여러 스레드가 호출할 가능성이 있는 메서드가 정적 필드를 수정한다면 그 필드를 사용하기 전에 반드시 동기해야 한다(비결정적 행동도 용인하는 클래스라면 상관없다).

그런데, 클라이언트가 여러 스레드로 복제되어 구동되는 상황이라면 다른 클라이언트에서 이 메서드를 호출하는 걸 막을 수 없으니 외부에서 동기화할 방법이 없다. 결과적으로 이 정적 필드가 심지어 private라도 서로 관련 없는 스레드들이 동시에 읽고 수정할 수 있게 된다. 사실상 전역 변수와 같아진다는 뜻이다. 코드 78-4의 generateSerialNumber 메서드에서 쓰인 nextSerialNumber 필드가 바로 이러한 사례다.

// 78-4 잘못된 코드 - 동기화가 필요하다! 
private static volatile int nextSerialNumber = 0;

public static int generateSerialNumber() {
    return nextSerialNumber++;
}

마치며

교착상태와 데이터 훼손을 피하려면 동기화 영역 안에서 외계인 메서드를 절대 호출하지 말자.

일반화해 이야기하면, 동기화 영역 안에서의 작업은 최소한으로 줄이자.

가변 클래스를 설계할 땐 스스로 동기화해야 할지 고민하자.

멀티 코어 세상인 지금은 과도한 동기화를 피하는 게 과거 어느 때보다 중요하다.

합당한 이유가 있을 때만 내부에서 동기화하고, 동기화했는지 여부를 문서에 명확히 밝히자(아이템 82).