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8. synchronized는 제대로 알고 써야 한다

프로세스와 스레드

클래스를 하나 수행시키거나 WAS를 기동하면, 서버에서 자바 프로세스가 하나 생성된다. 하나의 프로세스에는 여러 개의 스레드가 생성된다. 단일 스레드가 생성되어 종료될 수도 있고, 여러 개의 스레드가 생성되어 수행될 수도 있다. 그러므로 프로세스와 스레드의 관계는 1:N 관계라고 보면 된다.

Thread 클래스 상속과 Runnable 인터페이스 구현

스레드의 구현은 Thread 클래스를 상속받는 방법과 Runnable 인터페이스를 구현하는 방법 두 가지가 있다. 기본적으로 Thread 클래스는 Runnable 인터페이스를 구현한 것이기 때문에 어느 것을 사용해도 거의 차이가 없다. 대신 Runnable 인터페이스를 구현하면 원하는 기능을 추가할 수 있다. 이는 장점이 될 수도 있지만, 해당 클래스를 수행할 때 별도의 스레드 객체를 생성해야 한다는 단점이 될 수도 있다. 또한 자바는 다중 상속을 인정하지 않는다. 따라서 스레드를 사용해야 할 때 이미 상속받은 클래스가 존재한다면 Runnable 인터페이스를 구현해야 한다.

public class RunnableImpl implements Runnable {
  public void run() {
    System.out.println("This is RunnableImpl.");
  }
}

public class ThreadExtends extends Thread {
  public void run() {
    System.out.println("This is ThreadExtends.");
  }
}

그럼 이 클래스들을 어떻게 실행해야 할까? Thread 클래스를 상속받은 경우에는 start() 함수를 호출하면 된다. 하지만 Runnable 인터페이스를 매개변수로 받는 생성자를 사용해서 Thread 클래스를 만든 후 start() 함수를 호출해야 한다. 그렇게 하지 않고 그냥 run() 함수를 호출하면 새로운 스레드가 생성되지 않는다.

public class RunThreads {
  public static void main(String[] args) {
    RunnableImpl ri = new RunnableImpl();
    ThreadExtends te = new ThreadExtends();
    new Thread(ri).start();
    te.start();
  }
}

sleep(), wait(), join() 함수

sleep() 함수는 명시된 시간만큼 해당 스레드를 대기시킨다. wait() 함수도 명시된 시간만큼 해당 스레드를 대기시킨다. sleep() 함수와 다른 점은 매개변수인데, 만약 아무런 매개변수를 지정하지 않으면 notify() 함수 혹은 notifyAll() 함수가 호출될 때까지 대기한다. wait() 함수가 대기하는 시간을 설정하는 방법은 sleep() 함수와 동일하다.

join() 함수는 명시된 시간만큼 해당 스레드가 죽기를 기다린다. 만약 아무런 매개변수를 지정하지 않으면 죽을 때까지 계속 대기한다.

interrupt(), notify(), notifyAll() 함수

앞서 명시한 세 개의 함수를 ‘모두’ 멈출 수 있는 유일한 함수는 interrupt 함수다. interrupt() 함수가 호출되면 중지된 스레드에는 InterruptedException이 발생한다. notify() 함수와 notifyAll() 함수는 모두 wait() 함수를 멈추기 위한 함수다. 이 두 함수는 Object 클래스에 정의되어 있는데, wait() 함수가 호출된 후 대기 상태로 바뀐 스레드를 깨운다. notify() 함수는 객체의 모니터와 관련있는 단일 스레드를 깨우며, notifyAll() 함수는 객체의 모니터와 관련있는 모든 스레드를 깨운다.

Synchronized를 이해하자

함수를 동기화하려면 함수 선언부에 사용하면 된다. 특정 부분을 동기화하려면 해당 블록에만 선언을 해서 사용하면 된다.

public synchronized void foo(){
  ...
}

public void foo2() {
  synchronized(obj) {
    ...
  }
}

그리고 다음과 같은 상황에 동기화를 사용한다.

동기화를 위해서 자바에서 제공하는 것들

JDK 5.0부터 추가된 java.util.concurrent 패키지에 대해서 간단히 알아보자. 이 패키지에는 주요 개념 네 가지가 포함되어 있다.

JVM 내에서는 synchronized은 어떻게 동작할까?

자바의 HotSpot VM은 ‘자바 모니터(monitor)’를 제공함으로써 스레드들이 ‘상호 배제 프로토콜(mutual exclusion protocol)’에 참여할 수 있도록 돕는다. 자바 모니터는 잠긴 상태(lock)나 풀림(unlocked) 중 하나이며, 동일한 모니터에 진입한 여러 스레드들 중에서 한 시점에는 단 하나의 스레드만 모니터를 가질 수 있다. 즉, 모니터를 가진 스레드만 모니터에 의해서 보호되는 영역(synchronized 블록)에 들어가서 작업을 할 수 있다. 모니터를 보유한 스레드가 보호 영역에서의 작업을 마치면, 모니터는 다른 대기중인 스레드에게 넘어간다.

JDK 5부터는 -XX:+UseBiasedLocking라는 옵션을 통해서 biased locking 이라는 기능을 제공한다. 그 전까지는 대부분의 객체들이 하나의 스레드에 의해서 잠기게 되었지만, 이 옵션을 켜면 스레드가 자기 자신을 향하여 bias된다. 즉, 이 상태가 되면 스레드는 많은 비용이 드는 인스트럭션 재배열 작업을 통해서 잠김과 풀림 작업을 수행할 수 있게 된다. 이 작업들은 진보된 적응 스피닝(adaptive spinning) 기술을 사용하여 처리량을 개선시킬 수 있다고 한다. 결과적으로 동기화 성능은 보다 빨라졌다.

HotSpot VM에서 대부분의 동기화 작업은 fast-path 코드 작업을 통해서 진행한다. 만약 여러 스레드가 경합을 일으키는 상황이 발생하면 이 fast-path 코드는 slow-path 코드 상태로 변환된다. 참고로 slow-path 구현은 C++ 코드로 되어 있으며, fast-path 코드는 JIT compiler에서 제공하는 장비에 의존적인 코드로 작성되어 있다.

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