인프런 커뮤니티 질문&답변

안녕하세요. 티티티님

답변이 늦어서 죄송합니다.

말씀하신 대로 BasicInteger 예제에서 volatile 키워드를 사용하지 않았음에도 불구하고 어느 정도 값이 수정된 것처럼 보인 현상에 대해 설명드리겠습니다. 이는 자바의 메모리 가시성(memory visibility) 문제와 CPU의 캐시 메모리 작동 방식, 그리고 컨텍스트 스위칭이 복합적으로 작용한 결과입니다.

다음과 같은 점들을 고려하여 이해해볼 수 있습니다:

• CPU 캐시와 메인 메모리: 현대 CPU는 성능 향상을 위해 메인 메모리보다 훨씬 빠른 캐시 메모리를 사용합니다. 각 스레드는 일반적으로 자신에게 할당된 CPU 코어의 캐시 메모리에서 데이터를 읽고 씁니다. 한 스레드가 캐시 메모리의 값을 변경하더라도, 이 변경 사항이 즉시 메인 메모리에 반영되거나 다른 CPU 코어의 캐시 메모리에 전파되지 않을 수 있습니다.

  • volatile 키워드는 이러한 메모리 가시성 문제를 해결하기 위해, 해당 변수에 대한 읽기/쓰기 작업이 항상 메인 메모리에 직접 접근하도록 강제하여, 한 스레드의 변경 사항이 다른 스레드에게 즉시 보이도록 보장합니다.

• BasicInteger의 문제점: BasicInteger 예제에서 value++ 연산은 다음과 같이 세 단계로 나눌 수 있습니다:

  1. value의 현재 값을 읽는다.

  2. 읽은 값에 1을 더한다.

  3. 새로운 값을 value에 대입한다.

  • 이 세 단계는 원자적(atomic) 연산이 아닙니다. 즉, 여러 스레드가 동시에 value++를 실행할 때, 한 스레드가 1단계(읽기)를 수행한 후 3단계(대입)를 완료하기 전에 다른 스레드가 1단계(읽기)를 수행하여 잘못된 값을 읽을 수 있습니다. 이것이 경합 조건(Race Condition) 이고, BasicInteger가 기대하는 1000이 아닌 다른 숫자가 나오는 근본적인 이유입니다.

  • volatile은 이러한 읽기-수정-쓰기 연산 자체를 원자적으로 만들지는 않습니다. volatile을 적용한 VolatileInteger도 여전히 1000에 도달하지 못했던 이유가 바로 여기에 있습니다.

• 컨텍스트 스위칭의 비결정성: 이전 volatile 플래그 예제에서 컨텍스트 스위칭이 캐시 동기화를 보장하지 않는다고 말씀드렸던 것처럼, BasicInteger의 경우에도 캐시가 메인 메모리에 반영되는 시점은 비결정적입니다.

  • 하지만 Thread.sleep()이나 콘솔 출력(로그 출력 포함)과 같은 특정 작업은 스레드가 잠시 쉬게 만들고 컨텍스트 스위칭을 유발할 수 있습니다. 이때, 해당 스레드의 캐시 내용이 메인 메모리에 반영되거나 다른 스레드의 캐시가 메인 메모리의 최신 값을 가져올 기회가 생길 수 있습니다.

  • IncrementPerformanceMain에서 sleep(10)을 넣어 스레드가 동시에 increment()를 호출하도록 유도했는데, 이 sleep() 호출 자체가 컨텍스트 스위칭을 빈번하게 발생시켜, 캐시 동기화가 더 자주 발생할 가능성을 높입니다.

  • 결과적으로 BasicInteger가 1000에 도달하지는 못하더라도, 일부 업데이트가 반영될 수 있었던 것은 이러한 컨텍스트 스위칭으로 인한 비주기적인 캐시 동기화가 운 좋게(?) 발생했기 때문이라고 볼 수 있습니다. 이는 "작동할 수도 있고, 안 할 수도 있다"는 비결정적이고 불안정한 상태의 전형적인 예시입니다.

핵심 정리:

• BasicInteger의 문제는 value++ 연산의 비원자성에 있습니다. 이는 메모리 가시성(volatile이 해결하는 문제)과는 다른 차원의 문제입니다.

• 컨텍스트 스위칭은 캐시 동기화를 유발할 수 있는 한 가지 요인이지만, 이를 보장하지 않습니다. BasicInteger가 1000에 도달하지 못한 것은 바로 이 보장이 없기 때문입니다.

• 따라서 멀티스레드 환경에서 value++처럼 공유 자원을 읽고 쓰는 작업을 안전하게 처리하려면 synchronized 키워드를 사용하거나, AtomicInteger와 같은 원자적인 연산을 제공하는 클래스를 사용해야 합니다.

감사합니다.

안녕하세요, 인프런 AI 인턴입니다. 티티티님!

volatile 키워드를 사용할 때의 메모리 가시성 문제와 관련된 질문을 주셨네요. 이에 대해 간략히 설명드리겠습니다.

volatile 키워드의 역할

• 메모리 가시성: volatile 키워드는 변수 값이 각 스레드의 로컬 캐시가 아닌 메인 메모리에 저장됨을 강제합니다. 따라서, 변수 값이 다른 스레드에게 즉시 보입니다.
  
• 캐시 사용: 일반적으로 스레드는 성능을 위해 로컬 캐시에서 값을 읽고 씁니다. 그러나 volatile로 선언된 변수는 항상 메인 메모리에서 읽고 씁니다.
  

컨텍스트 스위칭과 메모리

컨텍스트 스위칭이 일어나면 시스템은 스레드의 실행 상태를 메인 메모리에 저장하고, 다른 스레드를 적재하게 됩니다. 여기서 문제는, 컨텍스트 스위칭만으로는 캐시의 값을 메인 메모리에 반영한다고 보장되지 않는다는 것입니다. 구체적으로, 캐시값이 메인 메모리로 플러시되지 않고, 다른 스레드가 변경 사항을 못 볼 수도 있습니다.

연산의 반영 여부

• BasicInteger와 같은 경우, 컨텍스트 스위칭과 같은 시스템 이벤트 때문에 메모리 간 데이터가 우연히 동기화되는 것처럼 보일 수 있지만, 이는 확정적이지 않습니다.
  
• volatile 키워드를 사용하는 이유는 이러한 불확실성을 제거하고, 즉각적인 메모리 가시성을 확보하기 위함입니다.
  

기존 질문 게시판에서 더 많은 정보를 얻고 싶으시다면, 아래 질문들을 참조해보실 수 있습니다:

1. 안녕하세요 cas 질문이 있습니다. - volatile과 AtomicInteger 비교에 대해 논의합니다.
   
2. 강의를 듣다 문득, ThreadLocal과 synchronized의 성능차이?가 궁금하여서 질문했습니다. - 다른 동시성 제어 기법들과의 성능 차이에 대해 소개합니다.
   

저는 질문자님의 이해를 돕고자 지식공유자님의 기존 답변을 참고하여 유사한 답변 링크를 추천해드리고 있습니다.
현재 베타 기능으로 답변이 만족스럽지 않을 수 있는 점 양해 부탁드립니다. 🙏
추가적으로 궁금한 점이 있으시면, 이어서 질문해 주세요. 곧 지식공유자께서 답변해 주실 것입니다.