자바(Java) volatile 키워드
1. volatile Keyword
The Java volatile keyword guarantees visibility of changes to variables across threads.
volatile 키워드는 스레드 사이에서 변수 변경의 가시성(visibility)을 보장한다. 가시성이라는 단어가 어렵지만, 간단히 설명하면 데이터가 보인다라는 의미이다. CPU는 성능상의 이유로 메인 메모리에 저장된 데이터를 직접 사용하지 않고, 데이터에 조금 더 빠르게 접근하기 위해 CPU 캐시를 사용한다. 속도는 빨라지지만, 문제가 발생할 수 있다.
- 각 CPU가 각자 스레드를 실행한다. 각 스레드는 CPU 캐시에서 데이터를 불러와 사용한다.
- 다중 CPU를 사용하면 멀티 스레드 환경에서 데이터 동기화 문제가 발생한다.
CPU마다 다른 캐시가 연결되어 있기 때문에 서로 다른 스레드에서 같은 객체의 같은 변수를 사용하더라도 다른 값을 읽어 사용할 수 있다.
- CPU1은 Thread1을 실행한다.
- CPU2는 Thread2를 실행한다.
- CPU1은 Thread1을 수행하면서 count 변수를 읽어 증가시키면서 작업을 수행한다.
- CPU2는 Thread2를 수행하면서 값의 변경 없이 사용한다.
- 같은 변수를 다른 값으로 사용하게 되면서 로직상의 문제가 발생한다.
위와 같은 문제를 해결하기 위해 volatile 키워드를 사용한다. volatile 키워드를 사용하면 CPU 캐시가 아닌 메인 메모리에 저장된 데이터를 사용한다. 데이터 불일치 문제는 해결할 수 있지만, 캐시를 사용하지 않는 만큼 성능이 떨어질 수 있다. 자바는 volatile 키워드 이외에도 멀티 스레드 환경에서 스레드 안전한 프로그래밍을 위해 다음과 같은 기능을 제공한다.
- volatile 키워드
- synchronized 키워드
- Atomic 클래스
synchronized 키워드나 Atomic 클래스는 동기화를 지원하지만, volatile 키워드는 가시성을 보장할 뿐 동기화를 지원하지 않는다. 데이터 동기화를 위해서는 synchronized 키워드나 Atomic 클래스를 사용해야 한다.
2. Practice
간단한 테스트 코드를 통해 volatile 키워드만 적용되었을 때 데이터 동기화가 잘 이루어지는지 살펴보겠다. 두 개의 스레드가 NormalInteger 객체를 공유한다.
- NormalInteger 객체에서 관리하는 value 데이터는 volatile 키워드가 적용되어 있다.
- 각 스레드는 값을 증가시키거나 감소시키는 연산을 수행한다.
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());
}
}
실행 로그를 보면 데이터 동기화가 정상적으로 이루어지지 않는다. volatile 키워드만으로는 데이터를 동기화할 수 없음을 확인할 수 있다.
07:44:46.102 [main] INFO blog.in.action.volatilekeyword.VolatileTest - operation time: 9566, value: 216466
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