Item 79. 과도한 동기화는 피하라
1. 들어가기
앞서 충분하지 못한 동기화의 피해에 대해 알아보았습니다.
이번에는 오히려 동기화를 과도하게 했을 때의 피해에 대해 알아보겠습니다.
2. 외계인 메서드
동기화된 영역에서 재정의할 수 있는 메서드를 호출하거나 클라이언트가 넘겨준 함수 객체를 호출하는 경우 클래스 관점에서는 이런 메서드는 모두 바깥 세상에서 온 외계인 메서드로 그 메서드가 무슨 일을 할 지 알지 못하며 통제할 수 없게 됩니다.
@FunctionalInterface
public interface SetObserver<E> {
// ObservableSet에 원소가 추가되면 호출된다.
void added(ObservableSet<E> set, E element);
}
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);
return result;
}
}
3. 외계인 메서드 예제: 예외 발생
위의 예시는 눈으로 보기에 잘 동작할 것 같습니다.
그럼 한 번 테스트를 해보겠습니다.
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)
s.removeObserver(this);
}
});
for (int i=0; i<100; i++)
set.add(i);
}
0부터 99까지의 수를 집합에 넣고 출력하다가, 그 값이 23이면 자기 자신을 제거하는 관찰자입니다.
예상대로라면 0부터 23까지 출력 후 프로그램이 종료되어야 합니다.
하지만 프로그램은 23까지 출력한 다음 ConcurrentModificationException을 던집니다.
그 이유는 added 메서드가 ObservableSet의 removeObserve 메서드를 호출하고, 이 메서드는 다시 observers.remove를 호출하는데 notifyElementAdded가 관찰자들의 리스트를 순회하는 도중이기 때문입니다.
즉, 리스트에서 원소를 제거하려는데 현재 이 리스트를 순회하고 있어 허용되지 않은 동작이므로 예외가 발생하는 것입니다.
4. 외계인 메서드 예제: 교착 상태 발생
이번에는 구독해지를 하는 관찰자를 작성하는데 removeObserver를 직접 호출하지 않고
ExecutorService에게 위임하여 호출하는 예시를 보겠습니다.
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(); // Deadlock 발생
} catch (ExecutionException | InterruptedException ex) {
throw new AssertionError(ex);
} finally {
exec.shutdown();
}
}
}
})
해당 예시를 실행하면 예외는 발생하지 않지만 교착 상태에 빠집니다.
백그라운드 스레드가 s.removeObserver를 호출하면 synchronized 키워드에 의해 관찰자를 잠그려 시도하지만 이미 메인 스레드가 락을 쥐고 있으므로 얻을 수 없습니다.
그와 동시에 메인 스레드는 get()으로 백그라운드 스레드가 관찰자가 제거하기만을 기다리고 있습니다.
따라서 해당 부분에서 교착 상태(Deadlock)이 발생합니다.
5. 예외 발생과 교착 상태 해결
위의 두 예시에서 발생한 예외와 교착 상태를 해결하기 위해서는 외계인 메서드 호출을 동기화 블록 바깥으로 옮기면 해결됩니다.
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 메서드는 얼마나 오래 실행될 지 알 수 없는데, 거기에 동기화 영역 안에서 호출된다면 다른 스레드는 자원을 사용하지 못하고 대기해야 합니다.
하지만 위와 같이 동기화 영역 바깥에서 호출하는 방식을 통해 동시성 효율을 크게 개선할 수 있습니다.
이러한 방식을 열린 호출이라고 합니다.
이것보다 더 나은 방법은 Java의 동시성 컬렉션 라이브러리인 CopyOnWriteArrayList를 사용하는 것입니다.
이름이 말해주듯 ArrayList를 구현한 클래스로 내부를 변경하는 작업은 항상 깨끗한 복사본을 만들어 수행하도록 구현했습니다.
다른 용도로 사용하면 매우 느리겠지만, 수정할 일은 드물고 순회만 빈번히 일어나는 관찰자 리스트 용도로는 최적입니다.
ObservableSet을 CopyOnWriteArrayList를 사용해 다시 구현하면 다음과 같이 바꿀 수 있습니다.
private final List<SetObserver<E>> observers = new CopyOnWriteArrayList<>();
public void addObserver(SetObserver<E> observer) {
observers.add(observer);
}
public boolean removeObserver(SetObserver) {
return observers.remove(observer);
}
private void notifyElementAdded(E element) {
for (SetObserver<E> observer : observers)
observer.added(this, element);
}
6. 성능 측면에서의 동기화의 문제점
Java의 동기화 비용은 빠르게 낮아져 왔지만, 과도한 동기화를 피하는 일은 오히려 과거보다 중요해졌습니다.
과도한 동기화가 초래하는 진짜 비용은 락을 얻는데 드는 CPU 시간이 아니라 경쟁하느라 낭비하는 시간, 즉 병렬로 실행할 기회를 잃고 모든 코어가 메모리를 일관되게 보기 위한 지연 시간이 진짜 비용입니다.
또한, 가상머신의 코드 최적화를 제한한다는 점도 과도한 동기화의 또 다른 숨은 비용입니다.
7. 가변 클래스를 작성하는 방법
가변 클래스를 작성하기 위해서는 다음 두 선택지 중 하나를 따릅니다.
-
호출하는 클래스에서 알아서 동기화하도록 한다.
ex.
java.util(Vector,HashTable제외),StringBuilder -
동기화를 내부에서 수행해 스레드 안전한 클래스로 만든다.
이 경우는 클라이언트가 외부에서 객체 전체에 락을 거는 것보다 동시성을 월등히 개선할 수 있을 때만 선택합니다.
ex.
java.util.concurrent,StringBuffer클래스를 내부에서 동기화하기로 했다면 락 분할(lock splitting), 락 스트라이핑(lock striping), 비차단 동시성 제어(nonblocking concurrncy control) 등 다양한 기법을 동원해 동시성을 높여줄 수 있습니다.
여러 스레드가 호출할 가능성이 있는 메서드가 정적 필드를 수정한다면 그 필드를 사용하기 전에 반드시 동기화해야 합니다.
정적 필드가 private이여도 서로 관련 없는 스레드들이 동시에 읽고 수정할 수 있게 됩니다.
private static int nextSerialNumber = 0;
public static synchronized int generateSerialNumber() {
return nextSerialNumber++;
}
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