목차
1. 동기화란 무엇인가?
2. 동기화의 필요성
3. 동기화의 기본 개념
- 임계 영역(Critical Section)
- 자바에서의 동기화
4. 동기화 구현 방법
- 메서드 동기화
- 블록 동기화
- 정적 동기화
5. 동기화와 객체 락
- 객체 락과 클래스 락
- 'synchronized' 키워드의 내부 동작
6. 동기화와 성능
- 과도한 동기화의 문제
- 성능 최적화 방법
7. 동기화 관련 키워드
- 'volatile' 키워드
- 'final' 키워드와 동기화
8. 동기화와 쓰레드 간 통신
- 'wait()', 'notify()', 'notifyAll()' 메서드
- 동기화와 조건 변수
9. 동기화 관련 문제점
- 교착 상태(Deadlock)
- 경쟁 상태(Race Condition)
10. 예제와 분석
11. 결론 및 추가 학습 자료
1. 동기화란 무엇인가?
동기화(Synchronization)는 멀티쓰레드 환경에서 여러 쓰레드가 동시에 공유 자원에 접근할 때 발생할 수 있는 문제를 방지하기 위한 메커니즘입니다. 동기화를 통해 하나의 쓰레드만 특정 자원에 접근할 수 있도록 제어함으로써 데이터 일관성을 유지하고, 예기치 않은 오류를 방지할 수 있습니다.
2. 동기화의 필요성
멀티쓰레딩 환경에서는 여러 쓰레드가 동일한 자원에 접근하거나 수정할 때 데이터의 일관성이 깨질 수 있습니다. 예를 들어, 은행 계좌에서 동시에 입출금을 처리하는 두 개의 쓰레드가 있다고 가정해보면, 동기화 없이 작업이 수행될 경우 계좌의 잔액이 잘못 계산될 수 있습니다.
동기화는 이러한 문제를 해결하기 위해, 하나의 쓰레드가 자원을 사용하는 동안 다른 쓰레드가 동일한 자원에 접근하지 못하도록 보장합니다.
3. 동기화의 기본 개념
동기화를 이해하기 위해서는 임계 영역과 자바에서의 동기화 개념을 알아야 합니다.
임계 영역(Critical Section)
임계 영역은 동시에 여러 쓰레드가 접근해서는 안 되는 코드 블록을 말합니다. 동기화는 임계 영역을 보호하여 여러 쓰레드가 동시에 접근하는 것을 막습니다. 즉, 한 번에 하나의 쓰레드만이 임계 영역에 들어갈 수 있습니다.
자바에서의 동기화
자바에서는 'synchronized' 키워드를 사용하여 동기화를 구현합니다. 'synchronized' 키워드를 사용하면 메서드나 코드 블록을 동기화하여 임계 영역을 보호할 수 있습니다.
4. 동기화 구현 방법
자바에서 동기화를 구현하는 방법에는 메서드 동기화, 블록 동기화, 정적 동기화가 있습니다.
메서드 동기화
메서드 동기화는 메서드 전체를 동기화하여 해당 메서드가 호출될 때 하나의 쓰레드만 접근할 수 있도록 합니다. 'synchronized' 키워드를 메서드 선언부에 사용합니다.
예제 코드:
class SynchronizedCounter {
private int count = 0;
public synchronized void increment() {
count++;
}
public int getCount() {
return count;
}
}
public class MethodSynchronizationExample {
public static void main(String[] args) {
SynchronizedCounter counter = new SynchronizedCounter();
Thread thread1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
counter.increment();
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
counter.increment();
}
});
thread1.start();
thread2.start();
try {
thread1.join();
thread2.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Final count: " + counter.getCount());
}
}설명:
- 'increment()' 메서드에 'synchronized' 키워드를 사용하여 메서드를 동기화합니다.
- 여러 쓰레드가 동시에 메서드에 접근할 때 발생할 수 있는 문제를 방지합니다.
블록 동기화
블록 동기화는 메서드 전체가 아닌 특정 코드 블록만 동기화할 때 사용합니다. 이를 통해 성능을 최적화할 수 있습니다. 'synchronized' 블록을 사용하여 동기화할 객체를 지정합니다.
예제 코드:
class BlockSynchronizedCounter {
private int count = 0;
public void increment() {
synchronized (this) {
count++;
}
}
public int getCount() {
return count;
}
}
public class BlockSynchronizationExample {
public static void main(String[] args) {
BlockSynchronizedCounter counter = new BlockSynchronizedCounter();
Thread thread1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
counter.increment();
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
counter.increment();
}
});
thread1.start();
thread2.start();
try {
thread1.join();
thread2.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Final count: " + counter.getCount());
}
}설명:
- 'increment()' 메서드 내에서 특정 코드 블록만 동기화하여 성능을 최적화합니다.
정적 동기화
정적 동기화는 클래스 레벨에서 동기화를 구현하며, 정적 메서드나 정적 블록에 사용됩니다. 이는 클래스 자체에 대한 락을 사용하여 동기화합니다.
예제 코드:
class StaticSynchronizedCounter {
private static int count = 0;
public static synchronized void increment() {
count++;
}
public static int getCount() {
return count;
}
}
public class StaticSynchronizationExample {
public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
StaticSynchronizedCounter.increment();
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
StaticSynchronizedCounter.increment();
}
});
thread1.start();
thread2.start();
try {
thread1.join();
thread2.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Final count: " + StaticSynchronizedCounter.getCount());
}
}설명:
- 'synchronized' 키워드를 사용하여 정적 메서드를 동기화하고, 클래스 레벨에서 동기화를 구현합니다.
5. 동기화와 객체 락
동기화는 객체 락(Object Lock)과 밀접한 관련이 있습니다. 객체 락을 통해 쓰레드 간의 동기화가 이루어집니다.
객체 락과 클래스 락
- 객체 락(Object Lock): 객체 인스턴스에 대한 락으로, 인스턴스 메서드나 블록 동기화에 사용됩니다.
- 클래스 락(Class Lock): 클래스 자체에 대한 락으로, 정적 메서드나 정적 블록 동기화에 사용됩니다.
'synchronized' 키워드의 내부 동작
'synchronized' 키워드는 객체 락을 획득한 쓰레드만 동기화된 코드 블록에 접근할 수 있도록 합니다. 다른 쓰레드는 해당 락이 해제될 때까지 대기하게 됩니다.
예제 코드:
class LockExample {
public synchronized void instanceMethod() {
System.out.println("Instance method lock acquired by " + Thread.currentThread().getName());
}
public static synchronized void staticMethod() {
System.out.println("Static method lock acquired by " + Thread.currentThread().getName());
}
}
public class LockExampleTest {
public static void main(String[] args) {
LockExample obj1 = new LockExample();
LockExample obj2 = new LockExample();
Thread thread1 = new Thread(() -> {
obj1.instanceMethod();
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
obj2.instanceMethod();
});
Thread thread3 = new Thread(() -> {
LockExample.staticMethod();
});
thread1.start();
thread2.start();
thread3.start();
}
}설명:
- 'instanceMethod()'는 객체 락을 사용하여 동기화되고, 'staticMethod()'는 클래스 락을 사용하여 동기화됩니다.
6. 동기화와 성능
동기화는 데이터 일관성을 유지하는 데 필수적이지만, 과도한 동기화는 성능 저하를 초래할 수 있습니다.
과도한 동기화의 문제
과도한 동기화는 쓰레드가 불필요하게 대기 상태에 머물게 하여 성능을 저하시킬 수 있습니다. 이로 인해 애플리케이션의 응답 속도가 느려지고, 전체 시스템의 처리량이 감소할 수 있습니다.
성능 최적화 방법
- 블록 동기화 사용: 가능한 경우 메서드 전체가 아닌 특정 코드 블록만 동기화하여 성능을 최적화합니다.
- 이중 검사 잠금(Double-Checked Locking): 객체를 생성할 때 이중 검사 잠금을 사용하여 불필요한 동기화를 피할 수 있습니다.
- 동시성 컬렉션 사용: 'java.util.concurrent' 패키지에서 제공하는 동시성 컬렉션을 사용하여 성능을 향상시킬 수 있습니다.
예제 코드 (이중 검사 잠금):
class Singleton {
private static volatile Singleton instance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}설명:
- 이중 검사 잠금을 사용하여 객체가 처음 생성될 때만 동기화하도록 하여 성능을 최적화합니다.
7. 동기화 관련 키워드
자바에서는 동기화와 관련된 몇 가지 키워드를 제공합니다. 이들 키워드를 사용하여 동기화와 관련된 작업을 제어할 수 있습니다.
'volatile' 키워드
'volatile' 키워드는 변수가 여러 쓰레드에 의해 접근될 때 최신 값을 읽도록 보장합니다. 이는 동기화하지 않고도 변수의 가시성을 보장하는 데 사용됩니다.
예제 코드:
class VolatileExample {
private volatile boolean flag = true;
public void run() {
while (flag) {
// Do some work
}
System.out.println("Stopped");
}
public void stop() {
flag = false;
}
public static void main(String[] args) {
VolatileExample example = new VolatileExample();
Thread thread = new Thread(example::run);
thread.start();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
example.stop();
}
}설명:
- 'volatile' 키워드를 사용하여 'flag' 변수가 항상 최신 값을 가지도록 보장합니다.
'final' 키워드와 동기화
'final' 키워드는 객체가 생성될 때 값이 설정된 후 변경되지 않도록 보장합니다. 이는 동기화된 객체의 불변성을 보장하는 데 유용합니다.
예제 코드:
class FinalExample {
private final int x;
public FinalExample(int x) {
this.x = x;
}
public int getX() {
return x;
}
public static void main(String[] args) {
FinalExample example = new FinalExample(10);
System.out.println("Value of x: " + example.getX());
}
}설명:
- 'final' 키워드를 사용하여 객체의 불변성을 보장하고, 동기화의 필요성을 줄입니다.
8. 동기화와 쓰레드 간 통신
동기화는 쓰레드 간의 통신에도 중요한 역할을 합니다. 자바에서는 'wait()', 'notify()', 'notifyAll()' 메서드를 사용하여 쓰레드 간의 통신을 제어할 수 있습니다.
'wait()', 'notify()', 'notifyAll()' 메서드
이 메서드들은 쓰레드가 특정 조건에서 대기하거나, 대기 중인 쓰레드를 깨우는 데 사용됩니다.
예제 코드:
class SharedResource {
private boolean available = false;
public synchronized void produce() throws InterruptedException {
while (available) {
wait();
}
System.out.println("Produced");
available = true;
notify();
}
public synchronized void consume() throws InterruptedException {
while (!available) {
wait();
}
System.out.println("Consumed");
available = false;
notify();
}
}
public class WaitNotifyExample {
public static void main(String[] args) {
SharedResource resource = new SharedResource();
Thread producer = new Thread(() -> {
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
resource.produce();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
Thread consumer = new Thread(() -> {
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
resource.consume();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
producer.start();
consumer.start();
}
}설명:
- 'wait()'와 'notify()' 메서드를 사용하여 생산자와 소비자 간의 협력을 구현했습니다.
동기화와 조건 변수
조건 변수는 특정 조건에서 쓰레드가 대기하거나, 조건이 충족될 때까지 대기하는 데 사용됩니다. 이를 통해 더 복잡한 쓰레드 간의 통신을 구현할 수 있습니다.
9. 동기화 관련 문제점
동기화는 필수적이지만, 적절히 관리되지 않으면 교착 상태나 경쟁 상태와 같은 문제를 초래할 수 있습니다.
교착 상태(Deadlock)
교착 상태는 두 개 이상의 쓰레드가 서로 자원을 기다리며 무한히 대기 상태에 빠지는 상황입니다. 이를 피하기 위해 자원의 순서를 정하거나, 타임아웃을 설정할 수 있습니다.
예제 코드:
class DeadlockExample {
private final Object lock1 = new Object();
private final Object lock2 = new Object();
public void method1() {
synchronized (lock1) {
System.out.println("Lock1 acquired, waiting for Lock2");
synchronized (lock2) {
System.out.println("Lock1 and Lock2 acquired");
}
}
}
public void method2() {
synchronized (lock2) {
System.out.println("Lock2 acquired, waiting for Lock1");
synchronized (lock1) {
System.out.println("Lock2 and Lock1 acquired");
}
}
}
public static void main(String[] args) {
DeadlockExample example = new DeadlockExample();
Thread thread1 = new Thread(example::method1);
Thread thread2 = new Thread(example::method2);
thread1.start();
thread2.start();
}
}설명:
- 위 예제는 교착 상태가 발생할 수 있는 상황을 보여줍니다. 두 쓰레드가 서로 상대방의 자원을 기다리며 무한히 대기하게 됩니다.
경쟁 상태(Race Condition)
경쟁 상태는 여러 쓰레드가 동시에 공유 자원에 접근할 때 발생하는 문제입니다. 이를 해결하기 위해 동기화를 통해 자원 접근을 제어해야 합니다.
예제 코드:
class RaceConditionExample {
private int counter = 0;
public synchronized void increment() {
counter++;
}
public int getCounter() {
return counter;
}
public static void main(String[] args) {
RaceConditionExample example = new RaceConditionExample();
Runnable task = () -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
example.increment();
}
};
Thread thread1 = new Thread(task);
Thread thread2 = new Thread(task);
thread1.start();
thread2.start();
try {
thread1.join();
thread2.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Final counter value: " + example.getCounter());
}
}설명:
- 동기화를 통해 경쟁 상태를 해결하여 여러 쓰레드가 동시에 공유 자원에 접근할 때 발생할 수 있는 문제를 방지합니다.
10. 예제와 분석
지금까지 배운 동기화 개념들을 종합적으로 적용한 예제를 살펴보겠습니다.
종합 예제:
class SharedCounter {
private int count = 0;
public synchronized void increment() {
count++;
}
public int getCount() {
return count;
}
}
public class SynchronizedExample {
public static void main(String[] args) {
SharedCounter counter = new SharedCounter();
Runnable task = () -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
counter.increment();
}
};
Thread thread1 = new Thread(task);
Thread thread2 = new Thread(task);
Thread thread3 = new Thread(task);
thread1.start();
thread2.start();
thread3.start();
try {
thread1.join();
thread2.join();
thread3
.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Final counter value: " + counter.getCount());
}
}코드 분석:
- 동기화를 사용하여 여러 쓰레드가 동시에 공유 자원에 접근할 때 발생할 수 있는 문제를 방지했습니다.
- 'join()' 메서드를 사용하여 모든 쓰레드가 작업을 완료한 후에 최종 결과를 출력합니다.
11. 결론 및 추가 학습 자료
이번 글에서는 자바의 동기화에 대해 살펴보았습니다. 동기화는 멀티쓰레드 환경에서 데이터 일관성을 유지하고, 쓰레드 간의 충돌을 방지하는 데 필수적인 메커니즘입니다. 자바에서 제공하는 'synchronized' 키워드와 기타 동기화 관련 기법들을 잘 이해하고 활용하면, 안정적이고 효율적인 멀티쓰레드 애플리케이션을 개발할 수 있습니다.
추가 학습 자료:
- 자바 공식 문서: [Oracle Java Documentation - Concurrency](https://docs.oracle.com/javase/tutorial/essential/concurrency/)
- 온라인 자바 튜토리얼: [W3Schools Java Threads](https://www.w3schools.com/java/java_threads.asp)
- 자바 코딩 연습 사이트: [GeeksforGeeks - Multithreading in Java](https://www.geeksforgeeks.org/multithreading-in-java/)
동기화는 자바 프로그래밍의 중요한 부분으로, 성능을 최적화하고 복잡한 작업을 병렬로 처리할 수 있도록 도와줍니다. 이번 기회를 통해 동기화의 개념과 활용 방법을 잘 이해하고, 실무에서 효과적으로 사용해보세요.
이제 자바의 동기화에 대해 자세히 이해하게 되었습니다. 다음 글에서는 자바의 또 다른 고급 기능에 대해 다루도록 하겠습니다. 자바의 더 깊은 이해를 위해 계속해서 학습해나가세요!