14.6 스레드 동기화 (Synchronization)
멀티 스레드 환경에서 여러 일꾼(스레드)이 하나의 자원(공유 객체)을 동시에 사용하려고 하면 치명적인 오류가 발생할 수 있습니다.
이해하기 쉽도록 이를 ‘공용 화장실’에 비유해 보겠습니다.
1. 동기화가 없을 때의 대참사 (Data Race)
화장실(공유 객체)은 하나인데, 문에 잠금 장치(동기화)가 없다면 어떻게 될까요?
일꾼 A가 화장실을 사용 중인데 일꾼 B가 벌컥 문을 열고 들어와 버리는 대참사가 벌어집니다.
프로그래밍 세계에서는 이를 데이터 레이스(Data Race)라고 부릅니다.
두 스레드가 동시에 접근하여 데이터를 수정하다 보니, 잔액이 마이너스가 되거나 데이터가 심각하게 꼬여버리는 현상이 발생합니다.
2. 해결책: 문 잠금 장치 (synchronized)
이런 대참사를 막기 위해 자바는 문 잠금 장치(synchronized)를 제공합니다.
한 스레드가 화장실(객체)을 사용 중일 때, 다른 스레드가 들어오지 못하도록 문을 굳건히 걸어 잠그는 것을 동기화(Synchronization)라고 합니다.
동기화를 적용하면 안심하고 단독으로 데이터를 처리할 수 있으며, 늦게 도착한 다른 스레드들은 문 밖에서 줄을 서서 얌전히 기다리게(RUNNABLE) 됩니다.
동기화 메소드 및 블록 선언 (synchronized)
화장실에 잠금 장치를 다는 방법은 synchronized 키워드를 사용하는 것입니다.
1. 동기화 메소드 (화장실 전체 통째로 잠그기)
메소드 선언부에 synchronized를 붙이면, 해당 메소드가 실행되는 동안 객체 전체에 잠금이 걸립니다.
public synchronized void method() {
// 문 잠금! 한 명의 스레드만 들어와서 볼일을 봅니다.
// 볼일이 끝나고 나갈 때 자동으로 문이 열립니다.
}
2. 동기화 블록 (필요한 칸만 잠그기)
메소드 전체가 아니라, 정말 중요한 특정 코드 부분만 잠그고 싶을 때는 동기화 블록을 사용합니다.
public void method() {
// 여기는 여러 명이 동시에 들어올 수 있는 세면대 영역
synchronized(this) { // this = 현재 객체(화장실)
// 문 잠금! 여기는 단 한 명만 들어갈 수 있는 양변기 칸
}
// 여기도 세면대 영역 (동시 접근 가능)
}
[!NOTE] 어떤 스레드가
synchronized영역에 들어가면 다른 스레드들은 문 밖에서 줄을 서서 기다려야 합니다. (실행 대기 상태)
다음 예제는 공유 객체로 사용할 Calculator이다. setMemory1()을 동기화 메소드로, setMemory2()를 동기화 블록을 포함하는 메소드로 선언했다.
package ch14.sec06.exam01;
public class Calculator {
private int memory;
public int getMemory() {
return memory;
}
public synchronized void setMemory1(int memory) {
this.memory = memory;
try {
Thread.sleep(2000);
} catch(InterruptedException e) {}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + this.memory);
}
public void setMemory2(int memory) {
synchronized(this) {
this.memory = memory;
try {
Thread.sleep(2000);
} catch(InterruptedException e) {}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + this.memory);
}
}
}
package ch14.sec06.exam01;
public class User1Thread extends Thread {
private Calculator calculator;
public User1Thread() {
setName("User1Thread");
}
public void setCalculator(Calculator calculator) {
this.calculator = calculator;
}
@Override
public void run() {
calculator.setMemory1(100);
}
}
package ch14.sec06.exam01;
public class User2Thread extends Thread {
private Calculator calculator;
public User2Thread() {
setName("User2Thread");
}
public void setCalculator(Calculator calculator) {
this.calculator = calculator;
}
@Override
public void run() {
calculator.setMemory2(50);
}
}
package ch14.sec06.exam01;
public class SynchronizedExample {
public static void main(String[] args) {
Calculator calculator = new Calculator();
User1Thread user1Thread = new User1Thread();
user1Thread.setCalculator(calculator);
user1Thread.start();
User2Thread user2Thread = new User2Thread();
user2Thread.setCalculator(calculator);
user2Thread.start();
}
}
실행 결과
User1Thread: 100
User2Thread: 50
스레드 간의 완벽한 협력 (wait & notify)
두 명의 일꾼이 핑퐁 게임처럼 정확히 교대로 번갈아 가며 작업해야 할 때가 있습니다.
(예: A가 물건을 만들면 → B가 포장하고 → 다시 A가 만들고…)
이때 아주 유용하게 쓰이는 것이 wait()과 notify() 메소드입니다.
wait(): “내 차례 끝났어. 난 대기실(일시 정지, WAITING)로 가서 잘게.”notify(): “야! 대기실에서 자고 있는 애 일어나서 나와 교대해!”
💡 깊이 알아보기: notify()의 대상과 wait()의 주체
처음 코드를 보면 “도대체 누가 잠들고, 누구를 깨우는 걸까?” 하고 헷갈리기 쉽습니다.
notify()는 누구를 깨울까?notify()는 현재 이 객체의 대기실에서 자고 있는 스레드 중 무작위로 딱 한 명만 깨웁니다. 특정 스레드(예: “B야 일어나!”)를 콕 집어서 깨울 수는 없습니다.- 만약 대기실에 자고 있는 일꾼이 여러 명인데 이들을 모두 다 깨우고 싶다면, 확성기 볼륨을 최대로 키우는
notifyAll()메소드를 사용해야 합니다. (실무에서는 신호를 놓치는 일이 없도록notifyAll()을 더 권장하는 편입니다.)
wait()을 호출하면 누가 잠들까?wait()코드를 마주치는 순간, 현재 그 코드를 실행 중인 스레드 자기 자신이 스스로 잠듭니다.- 즉, 남을 강제로 재우는 것이 아닙니다! 스스로 “내 할 일 끝났으니 쥐고 있던 자물쇠(Lock)를 풀고 대기실로 빠질게” 라며 자발적으로 수면 상태에 빠지는 동작입니다.
교대 작업 시각화
단순히 문 밖에서 기다리는 것과 달리, 아예 별도의 ‘대기실’을 마련하여 서로 신호를 주고받는 고도의 협력 과정입니다.
- 스레드 A가 작업을 마친 뒤, 대기실에 있는 스레드 B에게 “나 다 썼어! 나와!” (
notify())라고 외쳐서 깨웁니다. - 그리고 자신은 당분간 쉴 테니 스스로 대기실로 빠집니다. (
wait()) - 신호를 받고 깨어난 스레드 B가 바통을 이어받아 작업을 시작합니다.
[!IMPORTANT] 왜 반드시
synchronized안에서만 써야 할까요?wait()과notify()는 반드시 문이 잠긴 상태(synchronized내부)에서만 사용할 수 있습니다. 만약 문도 안 잠그고(동기화 없이) “대기실에 있는 애 나와!” 하고 외치면 자바는IllegalMonitorStateException에러를 뱉으며 프로그램을 뻗게 만듭니다. 문이 잠겨있어야만 서로 엇갈리거나 신호를 놓치는 불상사가 발생하지 않기 때문입니다.
package ch14.sec06.exam02;
public class WorkObject {
public synchronized void methodA() {
Thread thread = Thread.currentThread();
System.out.println(thread.getName() + ": methodA 작업 실행");
notify();
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
}
}
public synchronized void methodB() {
Thread thread = Thread.currentThread();
System.out.println(thread.getName() + ": methodB 작업 실행");
notify();
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
}
}
}
package ch14.sec06.exam02;
public class ThreadA extends Thread {
private WorkObject workObject;
public ThreadA(WorkObject workObject) {
setName("ThreadA");
this.workObject = workObject;
}
@Override
public void run() {
for (int i=0; i<10; i++) {
workObject.methodA();
}
}
}
package ch14.sec06.exam02;
public class ThreadB extends Thread {
private WorkObject workObject;
public ThreadB(WorkObject workObject) {
setName("ThreadB");
this.workObject = workObject;
}
@Override
public void run() {
for (int i=0; i<10; i++) {
workObject.methodB();
}
}
}
package ch14.sec06.exam02;
public class WaitNotifyExample {
public static void main(String[] args) {
WorkObject workObject = new WorkObject();
ThreadA threadA = new ThreadA(workObject);
ThreadB threadB = new ThreadB(workObject);
threadA.start();
threadB.start();
}
}
실행 결과
ThreadA: methodA 작업 실행
ThreadB: methodB 작업 실행
ThreadA: methodA 작업 실행
ThreadB: methodB 작업 실행
...