[Effective Java] wait와 notify보다는 동시성 유틸리티를 애용하라

wait와 notify보다는 동시성 유틸리티를 애용하라

자바 5에서 도입된 고수준의 동시성 유틸리티가 이전이라면 wait와 notify로 하드코딩해야 했던 전형적인 일들을 대신 처리해주기 때문에 지금은 wait과 notify를 사용해야 할 이유가 많이 줄었다.

갖고 있던 고유 락을 해제하고, 스레드를 잠들게 하는 wait와 잠들어 있던 스레드 중 임의로 하나를 골라 깨우는 notify는 synchronized 블록이나 메소드에서 호출되어야하고, 올바르게 사용하기가 아주 까다로우니 고수준 동시성 유틸리티를 사용하자.

java.util.concurrent의 고수준 유틸리티는 세 범주로 나눌 수 있다.

실행자 프레임워크, 동시성 컬렉션, 동기화 장치다.

동시성 컬렉션

동시성 컬렉션은 List, Queue, Map 같은 표준 컬렉션 인터페이스에 동시성을 가미해 구현한 고성능 컬렉션이다.

• 높은 동시성에 도달하기 위해 동기화를 각자의 내부에서 수행한다.
• 따라서 동시성 컬렉션에서 동시성을 무력화하는 건 불가능하며, 외부에서 락을 추가로 사용하면 오히려 속도가 느려진다.

동시성 컬렉션에서 동시성을 무력화하지 못하므로 여러 메서드를 원자적으로 묶어 호출하는 일 역시 불가능하다.

그래서 여러 기본 동작을 하나의 원자적 동작으로 묶는 '상태 의존적 수정' 메서드들이 추가되었다.
이 메서드들은 아주 유용해서 자바 8에서는 일반 컬렉션 인터페이스에도 디폴트 메서드형태로 추가되었다.

예) Map의 putIfAbsent(key, value)

예를 들어 Map의 putIfAbsent(key, value) 메서드는 주어진 키에 매핑된 값이 아직 없을때만 새 값을 집어넣는다.
그리고 기존 값이 있었다면 그 값을 반환하고, 없었다면 null을 반환한다.

이 메서드 덕에 스레드 안전한 정규화 맵을 쉽게 구현할 수 있다.

예) String.intern

String의 intern 메소드를 간략하게 말하면, String pool에서 literal이 존재하는지 확인하고, 존재한다면 그 문자열을 반환, 존재하지 않는다면(new String("")을 통해 생성되어 literal에 존재하지 않는 경우) String pool에 문자열을 등록하고 그 문자열을 반환한다.

//ConcurrentMap으로 구현한 동시성 정규화 맵 - 최적은 아니다.
public class Intern {
    private static final ConcurrentMap<String, String> map =
            new ConcurrentHashMap<>();

   public static String intern(String s) {
       String previousValue = map.putIfAbsent(s, s);
       return previousValue == null ? s : previousValue;
   }
}

아직 개선할 게 남아있다. ConcurrentHashMap은 동시성을 보장하니 내부적으로 synchronized를 사용하지만, get 같은 검색 기능에는 동기화를 사용하지 않도록 최적화되어 있다.

get을 먼저 호출하여 필요할 때만 putIfAbsent를 호출하면 더 빠르다.

public static String intern(String s) {
    String result = map.get(s);
    if (result == null) {
        result = map.putIfAbsent(s, s);
        if (result == null)
            result = s;
    }
    return result;
}

컬렉션 인터페이스 중 일부는 작업이 성공적으로 완료될 때까지 기다리도록 확장되었다.

예) Queue

Queue를 확장한 BlockingQueue 인터페이스에 추가된 메소드 중 take는 큐의 첫 원소를 꺼낸다. 이 때 만약 큐가 비었다면 새로운 원소가 추가될 때까지 기다린다. 이런 특성 덕에 작업 큐(생산자-소비자 큐)로 쓰기에 적합하다.

작업 큐는 하나 이상의 생산자(producer) 스레드가 작업(work)를 큐에 추가하고, 하나 이상의 소비자(consumer) 스레드가 큐에 있는 작업을 꺼내 처리하는 형태다.

간단하다. BlocingQueue의 구현체에서 아무 작업이 없을 때 take 메소드를 호출하고, 다른 스레드에서 BlockingQueue에 어떠한 작업도 offer나 add하지 않는다면 그 스레드는 종료되지 않는다.

동기화 장치(synchronizer)

동기화 장치는 스레드가 다른 스레드를 기다릴 수 있게 하여, 서로 작업을 조율할 수 있게 해준다.

가장 자주 쓰이는 동기화 장치는 CountDownLatch와 Semaphore다. 가장 강력한 동기화 장치는 바로 Phaser다.

CountDownLatch

CountDownLatch는 하나 이상의 스레드가 또 다른 하나 이상의 스레드 작업이 끝날 때까지 기다리게 한다.

public CountDownLatch(int count){
    if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
    this.sync = new Sync(count);
}

유일한 생성자는 int값을 받으며 이 값이 Latch의 countDown 메서드를 몇번 호출해야 대기 중인 스레드들을 깨우는지를 결정한다.

예룰 들어 어떤 동작들을 동시에 시작해 모두 완료하기까지 시간을 재는 간단한 프레임워크를 구축한다고 해보자

/**
 *
 * @param executor 동작들을 실행할 실행자
 * @param concurrency 동작을 몇 개나 동시에 수행할 수 있는지인 동시성 수준
 * @param action 진행할 동작 Runnable
 * @return 동작들이 모두 완료하기까지 걸린 시간
 * @throws InterruptedException
 */
public static long time(Executor executor, int concurrency, Runnable action) throws InterruptedException {
    // 모든 스레드가 동작 준비가 완료되는 순간을 위한 래치
    CountDownLatch ready = new CountDownLatch(concurrency);
    // 모든 스레드가 동작 준비가 완료되고 작업을 들어가게 하기 위한 래치
    CountDownLatch start = new CountDownLatch(1);
    // 모든 스레드가 동작을 완료한 순간을 위한 래치
    CountDownLatch done  = new CountDownLatch(concurrency);

    for (int i = 0; i < concurrency; i++) {
        executor.execute(() -> {
            // 타이머에게 준비를 마쳤음을 알린다.
            ready.countDown();
            try {
                // 메인 스레드에서 start하게 하기를 기다린다.
                start.await();
                action.run();
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            } finally {
                // 작업이 종료되면 countdown한다.
                done.countDown();
            }
        });
    }
    //concurrency 만큼 countDown이 완료될 때까지 기다린다. 즉, 모든 스레드가 준비될 때까지 대기
    ready.await();
    long startNanos = System.nanoTime();
    // 모든 스레드가 action을 동시에 실행할 수 있도록 카운트를 0으로 만든다.
    start.countDown();
    // 모든 작업이 종료될 떄까지 대기한다.
    done.await();
    // 소요시간을 반환
    return System.nanoTime() - startNanos;
}

이상의 기능을 wait와 notify만으로 구현한다면 난해하고 지저분한 코드가 되지만, CountDownLatch를 쓰면 직관적으로 구현할 수 있다.

이 코드는 카운트다운 래치를 3개 사용한다.

1. ready 래치는 작업자 스레드들이 준비가 완료됐음을 타이머 스레드에 통지할 때 사용한다. 통지를 끝낸 작업자 스레드들은 두 번째 래치인 start가 열리기를 기다린다.
2. 마지막 작업자 스레드가 ready.countDown을 호출하면 타이머 스레드가 시작 시각을 기록하고 start.countDown을 호출하여 기다리던 작업자 스레드들을 깨운다.
3. 그 직후 타이머 스레드는 세 번째 래치인 done이 열리기를 기다린다. done 래치는 마지막 남은 작업자 스레드가 동작을 마치고 done.countDown을 호출하면 열린다.
4. 타이머 스레드는 done 래치가 열리자마자 깨어나 종료 시각을 기록한다.

ready CountDownLatch는 concurrency만큼 countdown이 되야 메인 스레드에서 시간을 측정할 수 있고, 다른 스레드들에서는 ready가 await가 끝나고 startNanos를 기록 후 start가 countdown이 될 때까지 await하고 있다. executor가 concurrency만큼 스레드를 생성할 수 없다면 countdown이 진행되지 못하니 이 메소드가 끝날 수 없는 것이다.

이런 상태를 스레드 기아 교착상태(thread starvation deadlock) 라 한다.
여러 프로세스가 동일 자원 점유를 요청하며, 여러 프로세스가 부족한 자원을 점유하기 위해 경쟁을 해서, 특정 프로세스는 영원히 자원 할당이 되지 않는 것이다. 따라서 따로 예외 처리를 해줘야한다.

wiat와 notify를 사용해야 하는 경우

새로운 코드라면 언제나 wait와 notify가 아닌 동시성 유틸리티를 써야 한다. 하지만 어쩔 수 없이 레거시 코드를 다뤄야 할 때도 있다.

• wait 메소드는 스레드가 어떤 조건이 충족되기를 기다리게 할 때 사용한다.
• 락 객체의 wait 메서드는 반드시 그 객체를 잠근 동기화 영역 안에서 호출해야 한다.

synchronized (obj) {
    while (<조건 미충족>) {
        obj.wait(); // 락을 놓고, 깨어나면 다시 잡기
    }
    ... // 조건 충족시 동작 수행
}

wait 메소드를 사용할 땐 반드시 대기 반복문 (wait loop) 관용구를 사용하고 반복문 밖에서는 절대 호출하지 말자.

대기 전 조건을 검사해 조건이 이미 충족되었다면 wait을 건너뛰게 하는 것은 응답 불가 상태를 예방하는 조치다. 만약 조건이 충족되었는데 다른 스레드가 notify 혹은 notifyAll 메소드를 먼저 호출한 후 대기 상태로 빠지면 그 스레드는 다시 깨울 수 있다고 보장할 수 없다.

대기 후에 조건을 검사해 조건이 충족되지 않았다면 다시 대기하는 것은 안전 실패를 막는 조치다. 만약 조건이 충족되지 않았는데 스레드가 동작을 이어가면 락이 보호하는 불변식을 깰 위험이 있다. 조건이 만족되지 않아도 스레드가 깨어날 수 있는 상황의 예시를 살펴보자.

• 스레드가 notify를 호출한 다음 대기 중이던 스레드가 깨어나는 사이 다른 스레드가 락을 얻어 동기화 블럭 안의 상태를 변화시킬 수 있다.
• 조건이 만족되지 않았는데 다른 스레드가 실수 혹은 악의적으로 notify를 호출할 수 있다. 공개된 객체를 락으로 사용해 대기하는 클래스는 이런 위험에 노출되고, 외부에 노출된 객체의 동기화된 메소드 안에서 호출하는 wait는 모두 이 문제에 영향을 받는다.
• 깨우는 스레드의 관대함에, 대기 중인 스레드 중 일부만 조건이 충족되도 notifyAll을 호출해 모든 스레드를 깨울 수 있다.
• 대기중인 스레드가 notify 없이 깨어날 수 있는데 허위 각성(spurious wakeup) 현상이다.

notify와 notifyAll 중 무엇을 선택해야 할까?

notify는 스레드 하나만 깨우며, notifyAll은 모든 스레드를 깨운다.

일반적으로 언제나 notifyAll을 사용하는게 낫다. 깨어나야 하는 모든 스레드가 깨어남을 보장하니 항상 정확한 결과를 얻을 수 있을 것이고, 다른 스레드까지 깨어날 수도 있긴 하지만 정확성에는 영향을 주지 않는다. 깨어난 스레드들은 기다리던 조건이 충족되었는지 확인하여, 충족되지 않았다면 다시 대기할 것이기 때문이다.

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핵심 정리

• wait과 notify를 직접 사용하는 것은 동시성 '어셈블리 언어'로 프로그래밍 하는 것에 비유할 수 있다.
• 반면 java.util.concurrent는 고수준 언어에 비유할 수 있다.
• 코드를 새로 작성한다면 wait과 notify를 쓸 이유가 거의 없다.
• 이들을 사용하는 레거시 코드를 유지보수해야 한다면 wait은 항상 표준 관용구에 따라 while 문 안에서 호출하도록 하자.
• 일반적으로 notify보다는 notifyAll을 사용해야 한다.

참고
https://ktaes.tistory.com/87