Item 79: 과도한 동기화는 피하라

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 된다.
• 클라이언트가 넘겨준 함수 객체(아이템 24)를 호출하면 안 된다.

 

외계인 메서드(alien method),

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.

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

바로 관찰자 패턴이다.

 

핵심만 보여주기 위해 원소가 제거될 때 알려주는 기능은 생략했다(원한다면 쉽게 추가할 수 있다).

// 코드 79-1 잘못된 코드. 동기화 블록 안에서 외계인 메서드를 호출한다.
public class ObservableSet<E> extends ForwardingSet<E> {
    public ObservableSet(Set<E> set) { super(set); }

    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;
    }
}

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관찰자들은 addObserver와 removeObserver 메서드를 호출해 구독을 신청하거나 해지한다.

두 경우 모두 다음 콜백 인터페이스의 인스턴스를 메서드에 건넨다.

// 집합 관찰자 콜백 인터페이스
@FunctionalInterface
public interface SetObserver<E> {
    // ObservableSet에 원소가 더해지면 호출된다.
    void added(ObservableSet<E> set, E element);
}

 

이 인터페이스는 구조적으로 BiConsumer<ObservableSet<E>, E>와 똑같다.

그럼에도 커스텀 함수형 인터페이스를 정의한 이유는 이름이 더 직관적이고 다중 콜백을 지원하도록 확장할 수 있어서다.

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다음 프로그램은 0부터 99까지를 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);
}

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

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);
}

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※

람다를 사용한 이전 코드와 달리 익명 클래스를 사용했다.

s.removeObserver 메서드에 함수 객체 자신을 넘겨야 하기 때문이다.

람다는 자신을 참조할 수단이 없다(아이템 42).

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예외

이 프로그램은 23까지 출력한 다음 ConcurrentModificationException을 던진다.

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/ConcurrentModificationException.html

 

관찰자의 added 메서드 호출이 일어난 시점이 notifyElementAdded가 관찰자들의 리스트를 순회하는 도중이기 때문이다.

added 메서드는 ObservableSet의 removeObserver 메서드를 호출하고, 이 메서드는 observers.remove 메서드를 호출한다.

 

리스트를 순회하는 도중에 리스트에서 원소를 제거하려 하기 때문에 문제가 발생한다.

즉, 허용되지 않은 동작이다.

 

notifyElementAdded 메서드에서 수행하는 순회는 동기화 블록 안에 있으므로 동시 수정이 일어나지 않도록 보장하지만, 정작 자신이 콜백을 거쳐 되돌아와 수정하는 것까지 막지는 못한다.

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교착상태

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

// 코드 79-2 쓸데없이 백그라운드 스레드를 사용하는 관찰자
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) {
                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);
}

 

이 프로그램을 실행하면 예외는 나지 않지만 교착상태에 빠진다.

백그라운드 스레드가 s.removeObserver를 호출하면 관찰자를 잠그려 시도하지만 락을 얻을 수 없다.

 

메인 스레드가 이미 락을 쥐고 있기 때문이다.

그와 동시에 메인 스레드는 백그라운드 스레드가 관찰자를 제거하기만을 기다리는 중이다.

 

바로 교착상태다!

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똑같은 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 락을 쥐고 있으므로 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.

문제의 주 원인은 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.

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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.

// 코드 79-3 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);
}

 

동기화 영역 바깥에서 호출되는 외계인 메서드를 열린 호출(open call)이라 한다.

 

외계인 메서드는 얼마나 오래 실행될지 알 수 없는데, 동기화 영역 안에서 호출된다면 그동안 다른 스레드는 보호된 자원을 사용하지 못하고 대기해야만 한다.

 

따라서 열린 호출은 실패 방지 효과 외에도 동시성 효율을 크게 개선해준다.

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외계인 메서드 호출을 동기화 블록 바깥으로 옮기는 더 나은 방법

 

자바의 동시성 컬렉션 라이브러리의 CopyOnWriteArrayList가 정확히 이 목적으로 특별히 설계된 것이다.

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/concurrent/CopyOnWriteArrayList.html 

 

ArrayList를 구현한 클래스로, 내부를 변경하는 작업은 항상 깨끗한 복사본을 만들어 수행하도록 구현했다.

내부의 배열은 절대 수정되지 않으니 순회할 때 락이 필요 없어 매우 빠르다.

 

다른 용도로 쓰인다면 CopyOnWriteArrayList는 끔찍이 느리겠지만, 수정할 일은 드물고 순회만 빈번히 일어나는 관찰자 리스트 용도로는 최적이다.

 

ObservableSet을 CopyOnWriteArrayList를 사용해 다시 구현하면 메서드들은 다음처럼 바꾸면 된다(add와 addAll 메서드는 수정할 게 없다).

 

명시적으로 동기화한 곳이 사라졌다는 것에 주목하자.

// 코드 79-4 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);
}

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성능 측면

멀티코어가 일반화된 오늘날, 과도한 동기화가 초래하는 진짜 비용은 락을 얻는 데 드는 CPU 시간이 아니다.

 

과도한 동기화의 진짜 비용,

• 경쟁하느라 낭비하는 시간, 즉 병렬로 실행할 기회를 잃고, 모든 코어가 메모리를 일관되게 보기 위한 지연시간
• 가상머신의 코드 최적화를 제한한다.

 

가변 클래스를 작성하려거든 다음 두 선택지 중 하나를 따르자.

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

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).

 

자바 초창기에는 이 지침을 따르지 않은 클래스가 많았다.

 

예컨대 StringBuffer 인스턴스는 거의 항상 단일 스레드에서 쓰였음에도 내부적으로 동기화를 수행했다.

뒤늦게 StringBuilder가 등장한 이유이기도 하다(StringBuilder는 그저 동기화하지 않은 StringBuffer다).

 

비슷한 이유로, 스레드 안전한 의사 난수 발생기인 java.util.Random은 동기화하지 않는 버전인 java.util.concurrent.ThreadLocalRandom으로 대체되었다.

 

선택하기 어렵다면 동기화하지 말고, 대신 문서에 "스레드 안전하지 않다"고 명기하자.

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​클래스를 내부에서 동기화하기로 했다면, 락 분할(lock splitting), 락 스트라이핑(lock striping), 비차단 동시성 제어(nonblocking concurrency control) 등 다양한 기법을 동원해 동시성을 높여줄 수 있다.

 

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 복제돼 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.

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핵심 정리

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

일반화해 이야기하면, 동기화 영역 안에서의 작업은 최소한으로 줄이자.

 

가변 클래스를 설계할 때는 스스로 동기화해야 할지 고민하자.

멀티코어 세상인 지금은 과도한 동기화를 피하는 게 과거 어느 때보다 중요하다.

 

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