[Thread] Volatile이란, Volatile과 DCL(Double Checking Locking) 공부 기록

💡volatile은 언제 사용할까?

자바의 예약어 중에는 volatile라는 것이 있다. 이 예약어는 변수 선언시에만 사용된다.

이 예약어에 대한 설명을 듣기 전에 먼저 다음의 예제 코드를 보자. (코드 설명은 주석으로 대체한다.)

 

VolatileSample.java

package e.thread.volat;

public class VolatileSample extends Thread{

    //instanceVariable이라는 변수가 있고, 기본 값을 0으로 지정했다.
    private double instanceVariable = 0; 
    
    //instanceVariable 값을 변경하는 메서드
    void setDouble(double value) {
        this.instanceVariable = value;
    }

    public void run() {
      //instanceVariable 값이 0이면 계속 while 문장을 실행한다.
      while (instanceVariable == 0); 
       
      //instanceVariable 값이 변경되면 변경된 값을 출력하고, 해당 쓰레드는 작업이 종료된다.
      System.out.println(instanceVariable); 
      
    }
}

 

RunVolatile.java (main)

package e.thread.volat;

public class RunVolatile {

    public static void main(String[] args) {
        RunVolatile sample = new RunVolatile();
        sample.runVolatileSample();
    }

    public void runVolatileSample() {
        //sample이라는 VolatileSample 클래스의 객체를 만들어 쓰레드를 시작한다.
        VolatileSample sample = new VolatileSample();
        sample.start();
        
        //1초를 대기한 후
        try{
            Thread.sleep(1000);
        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("Sleep ended !!!");
        
        //sample 객체에 있는 instanceVariable 값을 -1로 변경하고 끝낸다.
        sample.setDouble(-1);
        System.out.println("Set value is completed");
    }
}

 

결과는 어떻게 나올까?

Sleep ended !!!
Set value is completed !!!

 

그냥 보면 정상적인 것 같지만, sample이라는 쓰레드가 종료되지 않는다. sample.setDouble() 메소드를 수행하면 당연히 instanceVariable 값이 -1이 되기 때문에 프로그램이 끝나야만 한다. 

 

 

💡왜 instanceVariable 값은 바뀌지 않고 while문이 계속 수행되는 것일까?

이 문제의 원인은 "CPU 캐시(cache)" 때문이다. 이 예제에서 동일한 sample이라는 VolatileSample 클래스의 객체에 있는 변수 값을 바꿨다. 그런데, 이처럼 각 쓰레드에서 수행되는 변수의 값을 반복적으로 참조하게 될 때에는 사용자가 사용하는 장비의 "메인 메모리"에 저장되지 않고, "CPU 캐시"에 저장되고 참조된다. 그래서, run() 메소드의 while문에서는 "CPU 캐시"에 저장되어 있는 instanceVariable만 쳐다 보면서 "너 계속 0이지? 그럼 계속 반복할게~~~" 하면서 작업을 반복한다. 

 

이 상황에서 다른 쓰레드에서 setDouble() 메소드를 사용해 값을 -1로 변경하면, 서로 다른 "CPU 캐시"에 있는 instanceVariable 값이 바뀐다. 따라서, while문에서 참조하는 "CPU 캐시"에 있는 값은 바뀌지 않으므로 계속 while문이 끝나지 않고 지속되는 것이다.

 

즉, 쓰레드에 선언된 인스턴스 변수를 선언할 일이 있을 때, 앞서 말한 volatile로 선언을 해주면 된다. 그러면 해당 변수 값이 바뀌면 "내가 갖고 있는 volatile 변수가 바뀌었는데, 너도 이거 쓰니까 값을 바꿔"라고 이야기해 준다. 다시 말하자면 해당 데이터에 접근하는 쓰레드가 캐시가 아닌 메인 메모리로부터 데이터를 참조하도록 강제하는 것이다.

private volatile double instanceVariable = 0;

이러한 문제가 발생한 이유는 JIT 컴파일러가 최적화 작업(optimization)을 수행하기 때문이다. 쓰레드가 보다 빠르게 수행할 수 있도록 instanceVariable을 캐시에 두고 최적화가 되어서 이러한 일이 발생한다. 즉, Volatile 변수를 사용할 경우, 해당 변수에 접근하는 코드에 대해서는 최적화를 수행하지 않게 된다. 항상 volatile을 선언하는 것은 아니다. 만일 최적화가 되지 않아 캐시간에 데이터가 다른 값을 보지 않으면 volatile을 굳이 사용할 필요가 없다. 

 

 

💡volatile과 DCL(Double Checking Locking)

DCL(Double Checking Locking)은 ThreadSafe한 싱글톤 설계를 위한 방식 중 하나이다. 기존의 메소드에 synchronized를 선언한 방식의 대기에 대한 성능저하의 단점을 보완하여, 인스턴스가 생성되어 있는지 확인한 다음, 생성되어 있지 않았을 때만 synchronized하는 패턴을 말한다.

 

결론을 먼저 말하자면, 자바4 이전 버전에서는 싱글톤 패턴 생성에 대해서 DCL기법을 사용하여 구현할 경우, 생성이 되다만 객체를 다른 클래스에서 참조 할 수 있는 문제가 있다. 하지만 자바5 이후 버전에서는 volatile 변수를 사용하여 이러한 문제를 개선했다. 

 

코드를 보면서, 다시 한번 확인해 보자. 먼저 자바4 이전의 DCL기법을 사용한 코드이다.

public class Singleton{

	private static Singleton uniqueInstance;

	private Singleton() {}

	public static Singleton getInstance(){

		if(uniqueInstance == null){
			synchronized (Singleton.class){
				if(uniqueInstance == null){
					uniqueInstance = new Singleton();
				}
			}
		}
		return uniqueInstance;
	}
}

 

이와 같은 패턴에서는, 만약 Thread2가 객체 생성 전에 첫번째 checking에 진입하여도 synchronized에 걸리게 된다.

이미 객체가 생성되어있을 경우 synchronized에 걸릴것 없이 바로 객체를 받게 된다.

 

하지만, new를 사용하여 객체를 생성할 때를 주의해서 생각해보자. 객체 생성시에는 메모리 공간의 확보 - 변수에 메모리 공간 링크 - 해당 메모리에 오브젝트 생성 순으로 작업이 이루어진다. 이 때 아래와 같은 문제가 발생할 수 있다.

 

1. Thread1은 '변수에 메모리 공간 링크'만 된 상태

2. Thread2가 첫번째 if문에 걸림. 오브젝트가 생성되었다고 착각

3. Thread2가 getInstance()함수를 탈출, 해당 메모리 공간(오브젝트가 아직 미생성) 으로 작업을 하려고 함.

4. 오브젝트가 생성되지 않았기 때문에 에러 발생

 

이것이 재배치(reordering)과정에 의해 발생하는 문제이다.

 

이때 아래 코드처럼 volatile을 적용시키면, 오브젝트 생성/메인메모리에 배치까지 바로 업데이트가 되어 재배치 문제가 해소된다.

 

public class Singleton{

	private volatile static Singleton uniqueInstance;

	private Singleton() {}

	public static Singleton getInstance(){

		if(uniqueInstance == null){
			synchronized (Singleton.class){
				if(uniqueInstance == null){
					uniqueInstance = new Singleton();
				}
			}
		}
		return uniqueInstance;
	}
}

 

📗Reference

- 자바의 신
- https://yeahhappyday.tistory.com/entry/singleton-%ED%8C%A8%ED%84%B4%EA%B3%BC-volatileDCLDouble-Checking-Lockingttps://techvu.dev/87
- https://bestugi.tistory.com/19