[Thread] 동시성 이슈(Synchronization Issue), 쓰레드로컬(ThreadLocal), 쓰레드풀(ThreadPool), 쓰레드에 안전한 설계(ThreadSafe)에 대한 공부 기록

💡동시성 이슈란 무엇인가?

동시성 이슈란 여러 쓰레드가 동시에 같은 인스턴스의 필드 값을 변경하면서 발생하는 문제를 의미한다.

가장 대표적인 예로 싱글톤(Singleton) 패턴을 예로 들 수 있다.

 

✅싱글톤(Singleton) 패턴이란?

싱글톤이란 어떤 클래스가 최초 한번만 메모리를 할당하고(Static) 그 메모리에 객체를 만들어 사용하는 디자인 패턴을 의미한다. 즉, 생성자의 호출이 반복적으로 이뤄져도 실제로 생성되는 객체는 최초 생성된 객체를 반환 해주는 것이다.

 

아래의 코드를 보자.

@Service 
public class UserService {
	
    private static UserId userId; // 상태 값 
    
    public void createUser(User user) {
    // 여기서 userId 값을 변경하는 코드가 존재 
    } 
}

 

UserService 는 싱글톤 객체로 등록되는 빈이다. 위 코드에서 UserId라는 객체가 상태 값인데, 회원 가입 100건이 동시에 이루어졌다고 하면 userId 라는 상태값은 안전할까? 안전하지 않을까? 

 

쓰레드는 프로세스의 Stack, Heap, Data, Text 영역 중 Stack 부분을 제외한 나머지를 공유한다. 그리고 userId 의 상태 값은 전역변수이며 Process의 Data 영역에 적재된다. 즉, 우리가 개발하는 멀티 쓰레드 환경에서 수 많은 쓰레드들이 userId 라는 상태 값(전역 변수)을 공유하게 되는 것이다. 그렇게되면, 회원 가입후에 서로 다른 사람의 개인정보가 보인다는 등, 심각한 오류가 발생한다. 따라서, 위와 같은 코드는 절대 짜면 안된다. 비록 트래픽이 낮은 애플리케이션일지라도 말이다.

 

그러면 동시성 이슈를 피하기 위해서 어떻게 해야할까?

 

이것에 대한 해답도 역시 프로세스와 쓰레드에 있다. 쓰레드의 Stack 영역은 공유하지 않으며, 지역 변수가 저장된다. 따라서, 전역 변수대신 지역 변수를 쓰게끔 하면 적은 노력으로 동시성 문제를 피할 수 있다.

 

동시성 문제가 발생하는 곳은 같은 인스턴스의 필드, 또는 static 같은 공용 필드에 접근할 때 발생한다. 동시성 문제는 값을 읽기만 하는 경우에는 발생하지 않고, 어디선가 값을 변경하기 때문에 발생하는 문제이다.

 

 

💡ThreadLocal 이란 무엇인가?

하지만, 싱글톤 객체에서 상태 값을 가져야하는 경우가 있을 수 있는데, 이때는 어떻게 동시성 이슈를 피할까?

싱글톤 빈에서 상태값을 유지해야하는 경우에 동시성 이슈를 해결하기 위해서 ThreadLocal을 지원한다.

ThreadLocal 은 해당 쓰레드만 접근할 수 있는 특별한 저장소(별도의 내부 저장소를 제공)를 의미한다. 따라서, 여러 쓰레드가 동시에 상태 값에 접근해도 동시성 이슈가 발생하지 않는다.

 

위 코드에 ThreadLocal 을 적용해보자.

@Service
public class UserService {

    private static final ThreadLocal<UserId> userIdStore = new ThreadLocal<>(); 

    public void createUser(User user) {
        userIdStore.set(user.createUserId());
    }
    
     public static UserId get() {
        return userIdStore.get();
    }

    public static void remove() {
        userIdStore.remove();
    }
    
}

위 처럼 ThreadLocal 을 적용하여 사용하면, 각 쓰레드는 UserId 를 가져오기 위해 자신만의 별도의 내부 저장소에서 꺼내기 때문에 동시성 이슈로부터 안전하다.

 

 

💡ThreadLocal에 저장된 값을 제거하지 않으면 어떤 문제가 발생할까?

ThreadLocal 을 사용할 때의 주의점은 해당 쓰레드가 쓰레드 로컬을 모두 사용하고 나면 ThreadLocal.remove() 를 호출해서 쓰레드 로컬에 저장된 값을 제거해주어야 한다.

 

제거하지 않으면 특정 상황에서 메모리 누수, 개인정보 등의 문제가 발생할 수 있다. 특히 WAS 처럼 쓰레드 풀(Thread Pool)을 사용하는 경우에 심각한 문제가 발생할 수 있다.

 

쓰레드 풀은 요청 마다 쓰레드를 생성했을 경우의 단점을 보완하기 위해 만들어졌다고 위에서 배웠다. 따라서, WAS 는 쓰레드 사용이 끝나면 해당 쓰레드를 다시 반납한다.

 

A 사용자가 회원 가입 요청을 하여 thread-A 가 할당되었다. thread-A 가 사용자의 A 의 데이터(User)를 자신의 전용 보관소인 thread-A-privacy-storage 에 저장한다. A 의 요청이 끝나고나면 WAS 는 사용이 끝난 thread-A 를 재사용하기 위해서 쓰레드 풀에 반환한다. 따라서, thread-A 가 제거되지 않았으므로 thread-A-privacy-storage 도 살아있게된다.

 

B 사용자가 자신의 정보를 조회하기 위한 요청을 한다. WAS 는 쓰레드 풀에서 남는 쓰레드를 할당해주는데, 이때 어떤 쓰레드가 할당될지는 모른다. thread-A 가 할당될 수도 있고, 다른 쓰레드가 할당될 수 도 있다. thread-A 가 할당되면 thread-A-privacy-storage 에 들어있던 사용자 A 에 대한 개인정보가 조회된다. 따라서, 다른 사람의 개인정보가노출 되는 심각한 문제가 발생할 수 있다.

 

그렇게 때문에 ThreadLocal 을 사용하고 나서 ThreadLocal.remove() 를 통해 자신의 전용 보관소에 저장되어 있던 값들을 모두 제거해주어야 한다.

 

✅정리

- ThreadLocal에 저장된 값은 해당 쓰레드에서 고유하게 사용할 수 있다.
- ThreadLocal 클래스의 변수는 private static final로 선언한다.
- ThreadLocal 클래스에 선언되어 있는 메소드는 set(), get(), remove(), initialValue()가 있다.
- 사용이 끝난 후에는 remove() 메소드를 호출해주는 습관을 가져야만 한다.

 

참고로 위의 박스에서 3번째를 보면, initialValue()라는 메서드가 있는데, 이것은 ThreadLocal 클래스를 확장하여 사용하려고 할때, 이 메소드를 Override하여 초기값을 지정할 수 있다.

 

 

💡쓰레드풀(ThreadPool)은 무엇인가?

웹 기반의 애플리케이션에서는 쓰레드를 재사용하기 위해서 쓰레드 풀(Thread Pool)이라는 것을 사용한다. 

 

WAS(Web Application Server)의 쓰레드 풀은 다음과 같이 동작한다.

1. 풀(Pool)안에 미리 쓰레드를 만들어 놓는다.
2. 사용자 요청이 오면 쓰레드 풀에게 놀고 있는 쓰레드를 달라고 요청한다.
3. 쓰레드 풀에서 쓰레드를 가져다 쓴다.
4. 쓰레드 사용이 끝나면 다시 쓰레드 풀에게 반납을 한다.

즉, 쓰레드를 쓰레드 풀에서 빌려 쓰고, 다시 반납하는 식이다. 쓰레드 풀안에 쓰레드가 500 개이며, 500 개를 넘는 요청이 오면, 쓰레드 대기, 거절등을 할 수 있다.

 

쓰레드가 미리 생성되어 있으므로, 쓰레드를 생성하고 종료하는 비용(CPU)이 절약되고, 응답시간이 빠르다. 또한 생성 가능한 쓰레드의 최대치가 있으므로 너무 많은 요청이 들어와도 기존 요청은 안전하게 처리할 수 있다.

 

 

💡그렇다면 Thread Safe하게 설계하는 방법은 무엇일까?

Thread Safe 란 쉽게 말하면 동시성 이슈가 발생하지 않도록 설계하는 것을 말하고, OS 지식과 섞어서 풀어 설명하면, 쓰레드가 경쟁 상태(race condition)일 때, 임계 구역에 있는 공유 변수의 일관성을 유지시키도록 설계하는 것을 말한다.

1. java.util.concurrent 패키지 하위의 클래스 사용 하기 (Ex. ConcurrentHashMap 등)
2. 인스턴스 변수를 두지 않기 = 상태 값 두지 않기
3. Thread-safe한 singleton 패턴 사용하기 (Ex. LazyHolder 등)
4. 동기화 블럭(synchronized) 지정하기

 

특히 3번에 해당하는 이야기는 할 이야기가 많고, 새로운 개념들이 나오는데, 이 부분은 다음 글에서 자세히 설명하도록 하겠다 :)

 

 

📗Reference

- 자바의 신
- https://techvu.dev/87
- https://cjw-awdsd.tistory.com/42