volatile in Java
1. volatile Keyword
The Java volatile keyword guarantees visibility of changes to variables across threads.
volatile 키워드는 스레드들 사이에서 변수에 저장된 값을 변경하는 것에 대한 가시성(visibility)을 보장합니다.
가시성이라는 단어가 어려움을 느끼게 하지만, 말처럼 데이터가 보인다.라는 의미입니다.
CPU는 성능상의 이유로 메인 메모리에 저장된 데이터를 직접 사용하지 않습니다.
데이터에 조금 더 빠르게 접근하기 위해 위해 CPU 캐시를 사용합니다.
Using Cache in Multi CPU
- 여러 개의 CPU를 사용하는 멀티 스레드 환경에서 데이터 동기화 문제가 발생합니다.
- 각 CPU들이 각자의 스레드를 실행합니다.
- 어플리케이션의 같은 변수를 사용하지만, CPU 캐시에 데이터를 로딩해서 사용합니다.
1.1. Data not matched between main memory and cpu cache
- CPU1은 Thread1을 실행합니다.
- CPU2는 Thread2를 실행합니다.
- CPU1은 Thread1을 수행하면서 count 변수를 읽어 증가시키면서 작업을 수행합니다.
- CPU2는 Thread2를 수행하면서 값의 변경은 없이 사용합니다.
- 같은 변수를 다른 값으로 사용하게 되면서 로직 상의 문제가 발생합니다.
1.2. Synchronize in Multi Thread Environment
위와 같은 문제를 해결하기 위해 volatile 키워드를 사용합니다. volatile 키워드를 사용하면 CPU 캐시가 아닌 메인 메모리에 저장된 데이터를 사용합니다. 데이터 불일치 문제는 해결할 수 있지만, 캐시를 사용하지 않는 만큼 성능이 떨어질 수 있습니다.
Java는 멀티 스레드 환경에서 스레드 안전한 프로그래밍을 위해 다음과 같은 기능들을 제공합니다.
- synchronized
- Atomic classes
- volatile
synchronized 키워드나 Atomic 클래스는 동기화를 지원하지만, volatile 키워드는 가시성을 보장할 뿐 동기화를 지원하지 않습니다. 데이터 동기화를 위해선 synchronized 키워드나 Atomic 클래스를 함께 사용해야 합니다.
2. Practice
간단한 테스트 코드를 통해 volatile 키워드만 적용되었을 때 데이터 동기화가 잘 이뤄지는지 살펴보겠습니다.
- 두 개의 스레드가 NormalInteger 객체를 공유합니다.
- NormalInteger 객체에서 관리하는 value 데이터는 volatile 키워드가 적용되어 있습니다.
- 각 스레드는 값을 증가, 감소시키는 연산을 수행합니다.
package blog.in.action.volatilekeyword;
import lombok.Getter;
import lombok.extern.log4j.Log4j2;
import org.junit.jupiter.api.Test;
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
@Getter
class NormalInteger {
private volatile int value;
public NormalInteger(int value) {
this.value = value;
}
public void increase() {
this.value++;
}
public void decrease() {
this.value--;
}
}
@Log4j2
public class VolatileTest {
int limit = Integer.MAX_VALUE / 10;
@Test
public void test() {
var start = System.currentTimeMillis();
var normalInteger = new NormalInteger(0);
var firstThread = CompletableFuture.runAsync(() -> {
for (int index = 0; index < limit; index++) {
normalInteger.increase();
}
});
var secondThread = CompletableFuture.runAsync(() -> {
for (int index = 0; index < limit; index++) {
normalInteger.decrease();
}
});
firstThread.join();
secondThread.join();
var end = System.currentTimeMillis();
log.info("operation time: {}, value: {}", (end - start), normalInteger.getValue());
}
}
Result
- 데이터 동기화가 정상적으로 이뤄지지 않습니다.
07:44:46.102 [main] INFO blog.in.action.volatilekeyword.VolatileTest - operation time: 9566, value: 216466
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