프로그래밍/JAVA

[JAVA]자바 동시성 프로그래밍🧵

다다면체 2025. 3. 5. 09:14
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안녕하세요! 오늘은 고성능 서버 개발의 핵심, 자바 동시성 프로그래밍의 세계로 여러분을 안내하겠습니다. ☕️ 복잡하고 빠르게 변화하는 현대 IT 환경에서 동시성 프로그래밍은 선택이 아닌 필수 역량이 되었죠. 특히 자바 멀티쓰레딩 환경에서 효율적인 애플리케이션을 구축하려면 동시성 제어 능력이 매우 중요합니다.

이번 포스팅에서는 자바 동시성 프로그래밍의 핵심 개념부터 고급 기법, 문제 해결 전략까지 꼼꼼하게 살펴보며 여러분의 동시성 프로그래밍 역량을 한 단계 업그레이드하는 것을 목표로 합니다. 🧵✨ 자, 그럼 함께 멀티쓰레드 환경을 완벽하게 제어하는 방법을 알아볼까요?

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1. 동시성 프로그래밍 (Concurrency Programming) 개요 및 중요성

동시성 프로그래밍은 하나의 애플리케이션 내에서 여러 작업이 동시에 실행되는 것처럼 보이게 만드는 프로그래밍 패러다임입니다. CPU 코어가 여러 개인 멀티코어 시대에 동시성 프로그래밍은 시스템 자원을 최대한 활용하고, 애플리케이션의 응답성을 향상시키는 데 핵심적인 역할을 합니다.

동시성 프로그래밍이 왜 중요할까요?

  • 향상된 성능: 여러 작업을 병렬로 처리하여 전체 처리량을 높이고, 사용자에게 더 빠른 응답성을 제공합니다.
  • 자원 효율성: 시스템 자원 (CPU, 메모리 등)을 효율적으로 사용하여 하드웨어 성능을 극대화합니다.
  • 복잡한 시스템 모델링: 실제 세계의 복잡한 시스템을 더 자연스럽고 효율적으로 모델링할 수 있게 해줍니다.

하지만 동시성 프로그래밍은 단순한 병렬 처리 이상의 복잡성을 내포하고 있습니다. 공유 자원에 대한 접근 관리, 스레드 간의 협력 및 통신, 그리고 예상치 못한 동시성 문제들을 해결해야 합니다. ⚠️

2. Thread 심층 분석 (Thread Life Cycle, Thread Pool, Fork/Join Framework)

자바 동시성 프로그래밍의 기본 단위는 쓰레드 (Thread) 입니다. 쓰레드는 경량 프로세스라고도 불리며, 프로그램 실행의 흐름을 나타냅니다.

2.1 Thread Life Cycle

쓰레드는 생성, 실행, 대기, 일시 정지, 종료의 생명주기 (Life Cycle)를 가집니다. 각 상태를 이해하는 것은 쓰레드를 효과적으로 관리하는 데 필수적입니다.

  • NEW: 쓰레드 객체가 생성되었지만 아직 시작되지 않은 상태입니다. start() 메서드를 호출해야 RUNNABLE 상태로 전이됩니다.
  • RUNNABLE: 쓰레드가 실행 가능한 상태입니다. 실제로 CPU 스케줄링에 의해 선택되어 실행될 수 있습니다.
  • BLOCKED: 쓰레드가 특정 락(Lock)을 획득하기 위해 대기하는 상태입니다.
  • WAITING: 쓰레드가 다른 쓰레드의 특정 동작을 기다리는 상태입니다. wait(), join(), park() 메서드 호출 시 WAITING 상태로 전이될 수 있습니다.
  • TIMED_WAITING: WAITING 상태와 유사하지만, 특정 시간 동안만 기다리는 상태입니다. sleep(), wait(timeout), join(timeout), parkNanos(), parkUntil() 메서드 호출 시 TIMED_WAITING 상태로 전이될 수 있습니다.
  • TERMINATED: 쓰레드의 실행이 완료된 상태입니다.

2.2 Thread Pool

매번 쓰레드를 생성하고 소멸시키는 것은 비용이 많이 드는 작업입니다. 쓰레드 풀 (Thread Pool) 은 미리 쓰레드를 생성해두고 필요할 때마다 꺼내서 사용하고, 작업이 끝나면 다시 풀에 반환하는 방식으로 쓰레드 관리를 효율적으로 만들어줍니다.

자바에서는 Executor Framework를 통해 다양한 종류의 쓰레드 풀을 제공합니다.

  • FixedThreadPool: 고정된 개수의 쓰레드를 유지하는 풀입니다.
  • CachedThreadPool: 필요에 따라 쓰레드 개수를 동적으로 늘리는 풀입니다. 유휴 쓰레드가 많으면 자동으로 제거합니다.
  • SingleThreadExecutor: 단일 쓰레드를 사용하는 풀입니다. 작업 순서를 보장해야 하는 경우에 유용합니다.
  • ScheduledThreadPool: 정해진 시간 또는 주기적으로 작업을 실행하는 풀입니다.

2.3 Fork/Join Framework

Fork/Join Framework는 작업 분할 (Forking)과 결합 (Joining) 을 통해 복잡한 작업을 효율적으로 병렬 처리하기 위한 프레임워크입니다. 특히 재귀적인 작업이나 분할 정복 알고리즘에 적합합니다.

Fork/Join Framework는 RecursiveTask 또는 RecursiveAction을 상속받아 작업을 정의하고, ForkJoinPool을 사용하여 작업을 실행합니다. 작업을 작은 하위 작업으로 분할하고, 하위 작업의 결과를 결합하여 최종 결과를 얻는 방식으로 동작합니다.

3. 동기화 (Synchronization) 기법

멀티쓰레드 환경에서 공유 자원에 동시에 접근하는 경우 동시성 문제 (Concurrency Issue) 가 발생할 수 있습니다. 대표적인 동시성 문제는 다음과 같습니다.

  • Race Condition (경쟁 조건): 여러 쓰레드가 공유 자원에 동시에 접근하여 데이터가 예측 불가능하게 변경되는 상황입니다.
  • Deadlock (교착 상태): 두 개 이상의 쓰레드가 서로 필요한 자원을 점유하고 놓아주지 않아 무한정 대기하는 상황입니다.
  • Starvation (기아 상태): 특정 쓰레드가 우선순위가 낮은 등의 이유로 CPU 자원을 할당받지 못하고 계속해서 대기하는 상황입니다.

자바는 이러한 동시성 문제를 해결하기 위해 다양한 동기화 (Synchronization) 기법을 제공합니다.

3.1 synchronized 키워드

synchronized 키워드는 메서드 또는 특정 코드 블록을 원자적으로 실행하도록 보장합니다. synchronized 블록에 진입하려는 쓰레드는 락 (Lock) 을 획득해야 하며, 락을 획득한 쓰레드만이 블록 내부 코드를 실행할 수 있습니다. 다른 쓰레드는 락이 해제될 때까지 대기합니다.

public synchronized void increment() { // 메서드 동기화
    count++;
}

public void process() {
    synchronized (this) { // 블록 동기화
        // 공유 자원 접근 코드
    }
}

 

3.2 Lock 인터페이스 및 구현체

Lock 인터페이스는 synchronized 키워드보다 더 유연하고 다양한 기능을 제공하는 동기화 메커니즘입니다. ReentrantLock, Semaphore, CountDownLatch, CyclicBarrier 등이 Lock 인터페이스의 구현체입니다.

  • ReentrantLock: synchronized 와 유사하지만, 더 많은 기능 (타임아웃, 폴링, 인터럽트 가능 등)을 제공합니다.
  • Semaphore: 허용 가능한 동시 접근 쓰레드 수를 제한하는 동기화 도구입니다. 자원 풀 관리 등에 유용합니다.
  • CountDownLatch: 특정 횟수만큼 사건이 발생할 때까지 대기하는 동기화 도구입니다. 모든 쓰레드가 작업을 완료할 때까지 기다리는 상황 등에 유용합니다.
  • CyclicBarrier: 정해진 수의 쓰레드가 모두 특정 지점에 도달할 때까지 대기하는 동기화 도구입니다. 병렬 계산 작업의 단계를 동기화하는 데 유용합니다.

4. Volatile 키워드와 Atomic 변수 활용

4.1 volatile 키워드

volatile 키워드는 변수를 메인 메모리에 직접 읽고 쓰도록 지시합니다. 쓰레드 로컬 캐시를 사용하지 않기 때문에 변수의 가시성 (Visibility) 을 보장합니다. 즉, 어떤 쓰레드가 volatile 변수를 변경하면 다른 쓰레드는 항상 최신 값을 읽을 수 있습니다.

하지만 volatile은 원자성 (Atomicity) 을 보장하지 않습니다. 복합 연산 (read-modify-write)에는 적합하지 않습니다.

4.2 Atomic 변수

Atomic 변수는 원자적 연산을 지원하는 변수입니다. java.util.concurrent.atomic 패키지에서 제공하며, AtomicInteger, AtomicLong, AtomicReference 등이 있습니다.

Atomic 변수는 CAS (Compare And Swap) 알고리즘을 사용하여 락 없이 (lock-free) 동기화를 구현합니다. 높은 성능을 요구하는 환경에서 유용합니다.

5. Concurrent Collections

java.util.concurrent 패키지는 멀티쓰레드 환경에서 안전하게 사용할 수 있는 Concurrent Collections를 제공합니다. HashMap, ArrayList 등의 일반적인 컬렉션은 동기화되어 있지 않아 멀티쓰레드 환경에서 Race Condition 문제가 발생할 수 있습니다.

  • ConcurrentHashMap: 쓰레드 안전한 HashMap 구현체입니다. 전체 맵을 락킹하는 대신 세그먼트 또는 버킷 단위로 락킹하여 높은 동시성을 제공합니다.
  • ConcurrentLinkedQueue: 쓰레드 안전한 큐 (Queue) 구현체입니다. 락 없이 (lock-free) 구현되어 높은 성능을 제공합니다.
  • CopyOnWriteArrayList: 쓰레드 안전한 리스트 (List) 구현체입니다. 읽기 작업은 락 없이 수행하고, 쓰기 작업 시에는 전체 배열을 복사하여 새로운 배열을 생성하는 방식으로 동기화를 구현합니다. 읽기 작업이 많은 환경에 적합합니다.

6. CompletableFuture를 이용한 비동기 프로그래밍

CompletableFuture는 자바 8부터 도입된 비동기 프로그래밍을 위한 강력한 도구입니다. Future 인터페이스를 확장하여 비동기 작업의 결과를 얻고, 작업 완료 후 콜백 (callback) 함수를 실행하고, 여러 비동기 작업을 조합하는 등 다양한 기능을 제공합니다.

CompletableFuture를 사용하면 Non-blocking I/O 기반의 고성능 애플리케이션을 쉽게 개발할 수 있습니다. 웹 서버, 분산 시스템 등에서 높은 효율성을 발휘합니다.

7. 동시성 문제 해결 전략 및 Best Practice

7.1 Thread-safe 코드 작성

가장 중요한 것은 애초에 동시성 문제가 발생하지 않도록 Thread-safe 코드를 작성하는 것입니다.

  • 불변 객체 (Immutable Object) 활용: 상태를 변경할 수 없는 불변 객체는 Race Condition 문제로부터 자유롭습니다.
  • 공유 자원 최소화: 쓰레드 간 공유하는 자원을 최소화하고, 불가피한 경우 적절한 동기화 메커니즘을 사용합니다.
  • 변수의 유효 범위 (Scope) 최소화: 지역 변수 (Local Variable)는 각 쓰레드마다 독립적으로 사용되므로 동시성 문제 발생 가능성이 낮습니다.

7.2 Deadlock 회피

Deadlock은 예방하기 어렵고, 발생하면 시스템 전체의 성능 저하를 야기할 수 있습니다. Deadlock을 회피하기 위한 몇 가지 전략이 있습니다.

  • 락 획득 순서 일관화: 여러 락을 획득해야 하는 경우, 항상 동일한 순서로 락을 획득하도록 합니다.
  • 락 획득 타임아웃 설정: 락 획득에 실패하면 일정 시간 대기 후 포기하도록 합니다.
  • 락 요청 시도 횟수 제한: 락 획득을 일정 횟수 이상 시도하지 않도록 합니다.

7.3 성능 고려한 동시성 제어

동기화는 성능 저하를 유발할 수 있습니다. 성능을 고려하여 적절한 동기화 메커니즘을 선택하고, 불필요한 동기화를 줄여야 합니다.

  • Lock-free 알고리즘 활용: Atomic 변수, Concurrent Collections 등 락 없이 동기화를 구현하는 메커니즘을 활용합니다.
  • 병목 지점 (Bottleneck) 분석 및 최적화: 성능 병목 지점을 분석하고, 해당 부분의 동시성 제어 방식을 최적화합니다.
  • 프로파일링 (Profiling) 도구 활용: 쓰레드 상태, 락 경합 (Lock Contention) 등을 분석하여 성능 개선 방향을 파악합니다.

8. 마무리

자바 동시성 프로그래밍은 고성능 서버 개발의 핵심 기술입니다. 동시성 개념을 정확히 이해하고, 다양한 동기화 기법과 문제 해결 전략을 익히는 것은 자바 개발자에게 필수적인 역량입니다.

이번 포스팅을 통해 여러분이 자바 동시성 프로그래밍에 대한 깊이 있는 이해를 얻고, 멀티쓰레드 환경을 완벽하게 제어하는 능력을 키우는 데 도움이 되었기를 바랍니다. 🧵💪

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