멀티 스레드 - 원자성 (Atomicity)

개요

멀티스레드 환경에서 공유 자원을 사용할 때, 주로 원자성과 가시성이 언급되는데 원자성에 대해 알아 보자!

 

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원자성이란

원자성은 위키백과에 따르면 어떤 것이 더 이상 쪼개질 수 없는 성질을 말하며, 어떤 것이 원자성을 가지고 있다면 원자적 (Atomic) 이라고 표현한다.

원자성의 성질을 컴퓨터과학에 대입해보면 어떠한 작업이 실행될 때, 언제나 완전하게 진행되어 종료되거나 그럴 수 없는 경우 실행을 하지 않는 경우를 말한다.

 

따라서, 원자성을 가지는 작업은 실행되어 진행되다가 종료되지 않고 중간에서 멈추는 경우는 절대로 있을 수 없다.

 

간단한 예시를 들어보면 기계어 수준의 실행 명령어들은 각각 원자성을 가지고 있기에 ADD와 LOAD 명령어 자체는 각각 원자적이므 ADD와 LOAD의 각각의 명령어 단위는 실행하는 도중에 인터럽트 등에 의해 중단될 수 없다.

 

다만, ADD와 LOAD 각각의 명령어 자체만이 원자적이므로 ADD 명령어를 끝낸 후와 LOAD 명령어를 실행하기 전 그 사이에는 인터럽트가 걸려 중단될 수도 있기 때문에 전체적으로 봤을 때는 비원자적이라고 할 수 있다.

 

👉  이렇게 설명하면 원자성이 멀티스레드 환경에서 어떠한 의미를 갖고 있는 지 직관적인 이해가 어려우므로 코드를 통해 자세하게 다뤄보자!

public static void main(String[] args) {
    int count = 0;                // Atomic Operation (원자 연산)
    count++;                // Non Atomic Operation (비원자 원산)
}

코드를 보면 “int count = 0” 문장은 “Atomic Operation (원자 연산)”이라고 주석에 설명되어 있는데 우리가 사용하는 언어는 고급 언어로 컴퓨터가 이해하지 못하는 언어이고 컴퓨터가 이해하는 언어인 기계어로 컴파일러가 바꿔주기 때문에 실행할 수 있는 것이다.

 

“int count = 0”은 단순히 메모리에 값을 저장하는 것으로 기계어로 변환하여도 원자성을 띄고 있기에 원자적이라고 표현할 수 있다.

 

다만 “count++”은 기계어로 변환하게 되면 아래와 같이 3개의 작업으로 나눠지기 때문에 비원자적이라고 표현할 수 있다.

 

① count 변수의 값을 가져온다
② count 변수의 값을 증가시킨다
③ 변경된 count 변수를 저장한다.

 

👉  그렇다면 “가시성”에서 언급했던 여러 개의 스레드가 공유 자원에 Write 하게 되는 경우, 원자성을 보장해야 하는 상황에서 원자성을 보장하지 않는 즉, 비원자 연산이 어떠한 영향을 끼치는 지 예제 코드를 통해 보도록 하자!

public class Main {

    public volatile static int count = 0;            // 캐시 메모리 사용 X --> 가시성 해결

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Test t1 = new Test();
        Test t2 = new Test();

        t1.start();
        t2.start();

        while (t1.isAlive() || t2.isAlive());            // t1, t2 스레드 종료될 때까지 대기
        System.out.println(count);            // count 변수값 출력
    }
}

class Test extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            Main.count++;
        }
    }
}

위의 코드를 간략하게 설명하면 int 타입 변수인 count를 10000번씩 증감연산하는 스레드를 2개 생성하고 스레드가 종료되면 해당 count 변수값을 출력한다.

 

해당 코드를 실행하게 되면 아래와 같은 결과를 얻게 된다.

15380                    // 매번 실행할 때마다, 값이 다르다

예상했던 결과는 두 개의 스레드에서 각각 10000번씩 증감연산하여 “20000”이 출력되기를 기대했지만 매번 실행할 때마다 다른 값을 출력한다.

 

위와 같은 현상이 발생한 근본적인 원인은 비원자 연산때문이다.

 

자세하게 설명하자면 일단 공유 자원인 count 변수에 “volatile” 키워드를 사용해서 가시성 문제는 해결되었다. (사실상 위의 코드에선 필요없음)

 

그리고 두 스레드가 모두 공유 자원인 count 변수에 증감 연산을 진행하고 있는데 “count++” 코드는 기계어 입장에서 3개의 작업으로 진행된다는 걸 상기하고 아래의 흐름을 보도록 하자.

 

① 첫 번째 스레드에서 메인 메모리로부터 count 변수의 값을 가져온 다음 인터럽트가 발생하여 해당 스레드는 실행 대기 상태로 들어간다.
② 두 번째 스레드에서 메인 메모리로부터 count 변수의 값을 가져온다.
③ 두 번째 스레드에서 count 변수의 값을 증가시킨다.
④ 두 번째 스레드에서 값이 변경된 count 변수를 메인 메모리에 저장한다.
⑤ 실행 대기 상태가 된 첫 번째 스레드가 실행 상태로 바뀌고, count 변수의 값을 증가시킨다.⑥ 두 번째 스레드에서 메인 메모리로부터 count 변수의 값을 가져온다.
⑦ 첫 번째 스레드에서 값이 변경된 count 변수를 메인 메모리에 저장한다.
.....
.....

 

이처럼 비원자 연산은 작업이 여러 개로 분리되어 이루어져 한 번에 처리되지 않기 때문에 위와 같은 결과가 나타난 것이다.

 

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Synchronized 키워드

따라서, 위와 같은 문제를 해결하기 위해 Java에서는 "Synchronized" 키워드를 제공한다.

 

“Synchronized” 키워드는 메소드에 사용할 수 있고, 해당 키워드가 붙은 메소드는 여러 스레드가 동시에 사용할 수 없으며 한 스레드만 사용할 수 있도록 Lock을 걸어둔다.

 

위의 예제 코드를 Synchronized 키워드를 사용한다면 아래와 같이 바꿀 수 있다.

public class Main {

    public static int count = 0;

    synchronized public static void add() {
        count++;
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Testthread t1 = new Testthread();
        Testthread t2 = new Testthread();

        t1.start();
        t2.start();

        while (t1.isAlive() || t2.isAlive());
        System.out.println(count);
    }
}

class Testthread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            Main.add();
        }
    }
}

코드를 실행해보면 출력결과로 “20000”이 출력되는 것을 확인할 수 있다.

 

 

👉  지금까지의 내용을 정리하면 원자성이란 멀티스레드 환경에서 여러 개의 스레드가 공유 자원에 대한 작업 (Write)을 할 때, 모두 반영되는 상태를 말한다.

 

추가적으로 “count++”은 기계어 입장에서 값을 불러오고, 증가시키고, 저장하는 3개의 작업으로 분류되는 비원자 연산이라고 하였지만 현대의 하드웨어는 데이터의 접근 → 연산 → 저장하는 과정을 한 번에 수행할 수 있는 명령어를 지원한다.

 

Java에서는 Atomic 클래스를 통해 사용할 수 있는데 여기에서 자세하게 다루지 않고 간단하게 위의 예제 코드에 Atomic 클래스를 사용하는것 까지만 해보겠다.

public class Main {

    public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Testthread t1 = new Testthread();
        Testthread t2 = new Testthread();

        t1.start();
        t2.start();

        while (t1.isAlive() || t2.isAlive());
        System.out.println(count.get());
    }
}

class Testthread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            Main.count.addAndGet(1);
        }
    }
}

 

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Reference

https://yeonyeon.tistory.com/270

https://onlyfor-me-blog.tistory.com/539

https://mygumi.tistory.com/111

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9B%90%EC%9E%90%EC%84%B1

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9B%90%EC%9E%90%EC%A0%81_%ED%96%89%EC%9C%84

http://tutorials.jenkov.com/java-concurrency/volatile.html

https://ttl-blog.tistory.com/238#%F0%9F%A7%90%20volatile%EC%9D%98%20%EB%AC%B8%EC%A0%9C-1

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