JAVA (26) - synchronized와 동기화
1. 개요
멀티스레드(Multi-thread) 환경에서는 여러 스레드가 하나의 공유 자원에 동시에 접근하여 값을 읽거나 수정할 수 있다. 이때 적절한 제어가 이루어지지 않으면 데이터의 일관성이 깨지는 신뢰성 문제가 발생한다.
자바에서는 이러한 멀티스레드 환경에서 발생할 수 있는 스레드 간의 충돌을 방지하고, 하나의 스레드 작업이 끝나기 전까지 다른 스레드가 제어권을 빼앗지 못하도록 방어하는 기술을 동기화(Synchronization)라고 한다. 자바는 이를 구현하기 위해 synchronized 키워드와 Monitor(모니터) 메커니즘을 제공한다.
2. 프로세스 메모리와 임계 영역(Critical Section)
동기화를 이해하려면 먼저 멀티스레드 환경에서 메모리가 어떻게 공유되는지 이해해야 한다.
- 공유 영역: Heap(힙) 영역과 Static(메서드) 영역은 모든 스레드가 공유한다.
- 독립 영역: Stack(스택) 영역은 스레드마다 독립적으로 할당된다.
따라서 Heap 영역에 위치한 객체의 인스턴스 변수나 Static 변수는 모든 스레드가 동시에 접근할 수 있는 대상이다. 이때 동시 접근 시 문제가 발생할 수 있는 코드 영역을 임계 영역(Critical Section)이라고 부르며, 자바는 이 임계 영역에 Lock(락)을 걸어 동기화를 보장한다.
예를 들어 ++count는 한 줄로 작성되지만, 실제로는 값을 읽고(Read), 증가시키고(Modify), 다시 저장하는(Write) 여러 단계로 실행된다. 따라서 여러 스레드가 동시에 수행하면 일부 증가 결과가 사라질 수 있으며, 그 자체로 원자적(Atomic)인 연산은 아니다.
3. synchronized 키워드의 사용법
자바에서 synchronized 키워드는 크게 두 가지 방식으로 사용된다.
① 메서드 전체 동기화
메서드 선언부에 synchronized를 붙이는 방식이다. 인스턴스 메서드와 정적 메서드 모두 한 번에 하나의 스레드만 실행하도록 제한하지만, 사용하는 락의 대상이 서로 다르다.
인스턴스 synchronized 메서드
인스턴스 메서드에 synchronized를 붙이면 현재 객체인 this의 고유 락을 획득한다. 다음 withdraw()는 하나의 계좌 객체가 가진 balance를 보호한다.
class Account {
private int balance = 1000;
public synchronized void withdraw(int money) {
if (balance >= money) {
balance -= money;
}
}
}위 메서드는 다음과 같이 synchronized (this)를 사용한 것과 같다.
public void withdraw(int money) {
synchronized (this) {
if (balance >= money) {
balance -= money;
}
}
}account1과 account2는 서로 다른 객체이므로 각자 별도의 락을 가진다. 따라서 한 스레드가 account1.withdraw()를 실행하는 동안 다른 스레드는 account2.withdraw()를 동시에 실행할 수 있다.
static synchronized 메서드
static synchronized 메서드는 특정 인스턴스가 아니라 해당 클래스의 Class 객체에 있는 고유 락을 획득한다. 다음 메서드는 모든 Account 객체가 공유하는 정적 변수 accountCount를 보호한다.
class Account {
private static int accountCount;
public static synchronized void register() {
accountCount++;
}
}위 메서드는 다음과 같이 synchronized (Account.class)를 사용한 것과 같다.
public static void register() {
synchronized (Account.class) {
accountCount++;
}
}Account.class 객체는 클래스당 하나이므로 어떤 경로로 register()를 호출하더라도 모두 같은 락을 두고 경쟁한다. 다만 인스턴스 메서드는 this의 락을 사용하고 정적 메서드는 Account.class의 락을 사용하므로, 두 메서드는 서로 다른 락을 사용하며 상대방의 실행을 막지 않는다.
| 구분 | 인스턴스 synchronized |
static synchronized |
|---|---|---|
| 락 대상 | 호출 대상 객체인 this |
클래스 객체인 클래스명.class |
| 보호하기 적합한 데이터 | 인스턴스 변수 | static 변수 등 클래스 공유 데이터 |
| 객체를 여러 개 생성한 경우 | 객체마다 서로 다른 락 사용 | 모든 객체가 같은 클래스 락 사용 |
② 동기화 블록(Synchronized Block)
메서드 전체에 Lock을 걸면 성능 저하가 발생할 수 있다. 특정 코드 구간만 동기화가 필요한 경우 블록 단위로 지정할 수 있다.
public void withdraw(int money) {
// 동기화가 필요 없는 로직...
synchronized(this) { // Lock을 걸 객체 지정
if (balance >= money) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {}
balance -= money;
}
}
}4. 모니터(Monitor)와 락(Lock)의 작동 원리
자바의 모든 객체는 내부적으로 하나의 고유 락(Intrinsic Lock) 을 가진다. 고유 락은 모니터 락(Monitor Lock) 또는 모니터(Monitor)라고도 부르며, synchronized는 이 락을 이용해 여러 스레드의 접근을 제어한다.
- 스레드가
synchronized영역에 진입하려고 하면 해당 객체의 Lock을 요청한다. - 획득에 성공한 스레드만 임계 영역을 실행할 수 있다.
- 다른 스레드가 이미 Lock을 선점하고 있다면, 나머지 스레드들은 Lock이 반환될 때까지 BLOCKED(대기) 상태로 전환된다.
- 임계 영역의 코드가 끝난 스레드는 Lock을 반환하고 대기 중인 스레드 중 하나가 Lock을 가져간다.
어떤 객체의 고유 락을 사용하는가?
| 동기화 방식 | 사용하는 고유 락 |
|---|---|
인스턴스 synchronized 메서드 |
현재 인스턴스인 this |
static synchronized 메서드 |
해당 클래스의 Class 객체 |
synchronized(this) |
현재 인스턴스인 this |
synchronized(lock) |
괄호 안에 지정한 lock 객체 |
모든 객체가 고유 락을 가지므로, 동기화만을 위한 별도의 객체를 만들 수도 있다.
class Counter {
private final Object lock = new Object();
private int count;
public int increase() {
synchronized (lock) {
return ++count;
}
}
}여러 스레드가 같은 락 객체를 기준으로 동기화해야 상호 배제가 이루어진다. 각 스레드가 서로 다른 객체의 락을 획득하면 같은 공유 자원에 접근하는 것을 막을 수 없다.
고유 락의 재진입성(Reentrancy)
고유 락은 재진입이 가능하다. 이미 락을 획득한 스레드는 같은 락이 필요한 다른 synchronized 메서드를 호출할 때 스스로 락을 반납하고 다시 기다릴 필요가 없다.
public synchronized void methodA() {
methodB(); // 같은 스레드가 this의 락을 이미 보유하고 있으므로 호출 가능
}
public synchronized void methodB() {
System.out.println("methodB 실행");
}또한 synchronized는 블록 구조에 따라 락을 자동으로 획득하고 해제하는 구조적 락(Structured Lock) 이다. 더 유연한 획득과 해제, 락 획득 시도 등의 기능이 필요하면 java.util.concurrent.locks.ReentrantLock과 같은 명시적 락을 사용할 수 있다.
가시성(Visibility) 보장
멀티스레드 환경에서는 CPU 캐시나 명령 재배치의 영향으로 한 스레드가 변경한 값을 다른 스레드가 즉시 확인하지 못할 수 있다. 같은 락으로 보호된 synchronized 영역에서는 먼저 락을 해제한 스레드의 변경 결과를 이후 그 락을 획득한 스레드가 볼 수 있도록 가시성을 보장한다.
분산 락과의 차이
고유 락은 하나의 JVM 안에서 같은 객체에 접근하는 스레드만 제어한다. 여러 서버나 JVM이 하나의 자원을 공유하는 환경에서는 synchronized만으로 서로의 접근을 막을 수 없으므로, Redis나 데이터베이스 같은 외부 시스템을 이용하는 분산 락(Distributed Lock) 이 필요할 수 있다.
5. wait()와 notify()를 이용한 스레드 제어
동기화 영역 내부에서 스레드 간의 효율적인 순서 제어를 위해 Object 클래스의 wait(), notify(), notifyAll() 메서드를 사용한다.
wait(): 현재 스레드가 획득한 Lock을 내려놓고 대기 상태(WAITING)로 들어간다.notify(): 대기 중인 스레드 중 하나를 깨워 실행 가능 상태(RUNNABLE)로 만든다.notifyAll(): 대기 중인 모든 스레드를 깨운다.
주의:
wait()와notify()는 반드시synchronized블록 내부에서만 호출할 수 있다.
6. 예시
1. 동기화가 필요한 이유 (동시성 문제 예시)
동기화를 적용하지 않았을 때 어떤 문제가 발생하는지 은행 계좌 출금 예제로 확인한다.
동기화 미적용 코드
class Account {
private int balance = 1000;
public int getBalance() {
return balance;
}
// 동기화가 처리되지 않은 출금 메서드
public void withdraw(int money) {
if (balance >= money) {
try {
// 스레드 작업 지연을 가상으로 구현 (문제 발생 가능성 극대화)
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
balance -= money;
}
}
}
class ThreadExample implements Runnable {
Account acc = new Account();
@Override
public void run() {
while (acc.getBalance() > 0) {
// 100원, 200원, 300원 중 랜덤으로 출금 시도
int money = (int) (Math.random() * 3 + 1) * 100;
acc.withdraw(money);
System.out.println("현재 잔액: " + acc.getBalance());
}
}
}위 코드를 두 개 이상의 스레드가 동시에 실행하면 잔액 검사(if (balance >= money)) 조건문을 통과한 후 다른 스레드가 먼저 출금을 진행하여 잔액이 마이너스(-)가 되는 문제가 발생한다.
2. synchronized 키워드 사용 예시
synchronized 키워드는 메서드에 적용하거나 코드 블록 단위로 적용하여 위의 문제를 해결한다.
① 메서드 동기화 (Method Synchronization)
메서드 선언부에 synchronized를 작성하여 메서드 전체를 임계 영역으로 지정한다.
public synchronized void withdraw(int money) {
if (balance >= money) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
balance -= money;
}
}② 동기화 블록 (Synchronized Block)
메서드 전체에 Lock을 걸지 않고, 최소한의 공유 자원 접근 영역만 블록으로 감싸 성능 저하를 줄인다.
public void withdraw(int money) {
// 동기화가 필요 없는 일반 검증 로직
System.out.println("출금 요청 금액: " + money);
synchronized (this) { // this 객체의 Lock을 획득
if (balance >= money) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
balance -= money;
}
}
}3. wait()와 notify()를 이용한 생산자-소비자 패턴 예시
스레드가 조건이 맞지 않을 때 락을 계속 잡고 기다리는 대신, wait()로 락을 반납하고 notify()로 제어권을 넘겨주는 대표적인 사용예시다.
class Table {
private String dish;
// 음식을 추가하는 메서드 (생산자)
public synchronized void addDish(String dishName) {
while (this.dish != null) {
System.out.println("테이블에 음식이 이미 있습니다. 대기합니다.");
try {
wait(); // 음식이 비워질 때까지 대기 (Lock 반납)
} catch (InterruptedException e) {}
}
this.dish = dishName;
System.out.println("요리사가 음식을 올렸습니다: " + dishName);
notify(); // 대기 중인 손님 스레드를 깨움
}
// 음식을 먹는 메서드 (소비자)
public synchronized void removeDish() {
while (this.dish == null) {
System.out.println("음식이 아직 없습니다. 대기합니다.");
try {
wait(); // 음식이 나올 때까지 대기 (Lock 반납)
} catch (InterruptedException e) {}
}
System.out.println("손님이 음식을 먹었습니다: " + this.dish);
this.dish = null;
notify(); // 대기 중인 요리사 스레드를 깨움
}
}7. 정리
- 동기화(Synchronization)는 멀티스레드 환경에서 데이터 일관성을 지키기 위해 필수적인 기술이다.
synchronized키워드는 객체의 고유 락을 기반으로 임계 영역의 상호 배제와 메모리 가시성을 보장한다.- 무분별한 메서드 동기화는 프로그램의 전체적인 성능 저하(병목 현상)를 유발하므로, 가능한 한 동기화 블록을 이용해 최적의 범위만 지정하는 것이 권장된다.
- 인스턴스 동기화는
this의 락을, 정적 동기화는 클래스의Class객체 락을 사용하므로 어떤 객체를 락으로 사용하는지 구분해야 한다.