[Java] Synchronized 이해하기

자바에서는 멀티 쓰레드 환경에서 안정성을 부여하기 위해 synchronized라는 예약어를 제공합니다.
하지만 일반적으로 순수 자바로 프로그래밍을 하다보면 멀티 쓰레드를 경험할 일이 없어 해당 예약어에 대해 이해하는 것이 어려운데요.

이번 포스팅에는 synchronized예약어를 이해하고 간단하게 실습하는 시간을 갖고자 합니다. 소스코드

synchronized란?

synchronized는 사전적으로 동시에 일어나다. 라는 의미를 갖고 있습니다.
그 의미처럼 자바에서도 동시에 일어나는 일에 대해 안정적으로 처리하기 위해 해당 키워드가 생겼습니다.

동시에 하나의 객체에 접근하는 여러 쓰레드에 대해 , 하나씩 들어오세요하며 안내하는 존재라고 생각하면 쉬울 것 같습니다.

synchronized는 메서드와 블록으로 사용할 수 있고, 생성자의 식별자로는 사용이 불가합니다.

// 메서드에서 사용하는 경우
public synchronized void sample() {
    //...
}

// 블록으로 사용하는 경우
public Object obj = new Object();
public void sampleBlock() {
    synchronized(obj) {
        /...
    }    
}

단순한 방법으로 사용이 가능하죠? 하지만 해당 식별자를 언제 사용할지에 대해서는 감이 오지 않습니다.
synchronized는 일반적으로 아래와 같은 상황들에서 사용됩니다.

1. 하나의 객체를 여러 스레드에서 동시에 사용하는 경우
2. static으로 선언한 객체를 여러 스레드에서 동시에 사용하는 경우

synchronized 사용하기

주로 사용되는 두가지 상황을 예시로 synchronized를 사용해봅시다.

Contributor 가 Contribution 에 기부를 하는 클래스를 먼저 구현해 보겠습니다.

public class Contribution {

    private int amount = 0;

    public void donate() {
        amount++;
    }

    public int getAmount() {
        return amount;
    }
}

기부금을 기부받는 donate 메서드와 기부금을 확인하는 getAmount 가 존재합니다.

package synchronized_practice;

public class Contributor extends Thread {

    private final Contribution contribution;
    private final String name;

    public Contributor (final Contribution contribution, final String name) {
        this.contribution = contribution;
        this.name = name;
    }

    public void run() {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            contribution.donate();
        }

        System.out.printf("%s total = %d\n", name, contribution.getAmount());
    }
}

Contributor는 멀티 Thread로 구현하기 위해 Thread를 상속받고 필드로 기부단체와 기부자 이름을 갖고 있습니다.
run메서드를 상속받아 멀티 스레드 환경에서 1000원을 기부하고 이를 출력합니다.

먼저 각기 다른 기부 단체에 기부하는 상황을 가정해봅시다.

public static void donateEachContributorToEachContribution() {
    Contributor[] contributors = new Contributor[10];

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        Contribution group = new Contribution(); // 기부자마다 다른 단체에 기부한다.
        contributors[i] = new Contributor(group, "contributor " + i);
    }

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        contributors[i].start(); // 멀티 스레드 환경에서 기각
    }
}

각 스레드마다 다른 객체에 접근하기 때문에 동시성 이슈가 발생하지 않고 1000원씩 잘 기부되는 것을 확인할 수 있습니다.

그렇다면 하나의 객체에 접근할 때는 어떨까요?

public static void donateEachContributorToOneContribution() {
    Contributor[] contributors = new Contributor[10];
    Contribution group = new Contribution(); // 기부할 하나의 그룹
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        contributors[i] = new Contributor(group, "contributor " + i);
    }

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        contributors[i].start(); // 멀티 스레드 환경에서 동일 객체에 접근
    }
}

실행 결과는 아래와 같습니다.

1000원씩 10명의 사람이 기부를 함에도 불구하고 최종금액이 10000원이 되지 않고 8993원이 되는 것을 확인할 수 있습니다.
간혹 10000원이 되는 경우도 있겠지만 항상 10000원이 되는 상황에서 간혹은 올바르지 않은 프로그램임을 뜻합니다.

동시에 10개의 객체가 1개의 객체에 접근하려다 보니 이런 문제가 발생한 것이죠.

그렇다면 Contributor객체가 Contribution객체에 접근하는 지점인 donate에 synchronized식별자를 추가해보겠습니다.

public synchronized void donate() {
    amount++;
}

contributor 3을 보면 최종 금액으로 10000원이 출력된 것을 볼 수 있습니다.

성능을 비교해봐도 큰 차이는 존재하지 않습니다. (물론 메서드가 커질 수록 성능 차이가 커집니다.)

그렇다면 static을 사용하는 경우에는 어떻게 동기화를 할 수 있을까요?

public class ContributionStatic {

    private static int amount = 0;

    public void donate() {
        amount++;
    }

    public int getAmount() {
        return amount;
    }
}

당연히 amount는 ContributionStatic의 클래스 객체이기 때문에 각 다른 단체에 기부를 하는 모양새가 안나옵니다.
게다가 동기화도 되지 않습니다.

그럼 donate 메서드에 synchronized 식별자를 추가하고 실행볼까요?

여전히 동기화가 되지 않습니다.

바로 synchronized의 특성 때문입니다. 이 식별자는 각각의 객체에 대해 동기화를 해줍니다.
지금처럼 필드가 클래스 변수일 경우 해당 필드에 대해서는 동기화를 해주지 못하는 것이죠.

하지만 해결방법은 존재합니다. 메서드도 인스턴스 메서드가 아닌 클래스 메서드로 변경해주면 됩니다.

public static synchronized void donate() {
    amount++;
}

항상 변하는 값에 대해 static으로 선언하는 상황은 많이 없겠지만, 어쨌든 이런 방법으로 static 필드를 동기화 해줄 수 있습니다.

정리

이번 포스팅을 통해 간단하게 synchronized를 이용한 동기화에 대해 알아봤습니다.

동기화는 여러 객체에서 동시에 하나의 객체에 접근할 때 , static으로 선언된 필드에 대해 여러 객체가 동시에 접근할 때 필요합니다.
간단하게 식별자를 추가해줌으로써 동기화를 진행할 수 있지만, 성능상의 이슈는 분명 존재하기에 사용에 대해서는 많은 고민이 필요하다고 합니다.

출처 : 자바 성능 튜닝 이야기, 이상민 저