동시성 제어 방식에 대한 분석 및 보고서 작성

Lock

Lock 이란?

• Lock은 여러 스레드가 공유된 자원에 접근할 때 순서를 정해주어 데이터의 일관성을 유지하는 동기화 방법이다.

임계 구역 이란?

• 각 스레드들 이 공유하는 데이터를 변경하는 코드 영역

동시성 제어 방법

synchronized

• synchronized 키워드를 사용하여 동기화를 제공한다.
• synchronized 키워드를 사용하면 해당 메소드나 블록을 한번에 하나의 스레드만 접근할 수 있도록 제한한다.
• 예시 ) java public synchronized void method() { ... }
• 사용하는 경우
  • 멀티 스레드 환경에서 다른 스레드들의 접근을 막아야하는 경우 ( 한번에 하나의 실행 되어야 하는 경우 )
• 단점
  • 성능이 떨어진다.
  • 데드락이 발생할 수 있다.
  • 다른 스레드가 해당 메소드나 블록을 사용하지 못하게 되어 병목현상이 발생할 수 있다.

volatile

• volatile 키워드를 사용하여 변수를 메인 메모리에 저장하고 캐시에 저장하지 않는다.
• volatile 키워드를 사용하면 변수를 읽고 쓸 때 CPU 캐시가 아닌 메인 메모리에서 직접 읽고 쓰게 된다.
• volatile 키워드를 사용하면 변수의 가시성을 보장한다.
• 예시 ) java private volatile boolean stop;
• 사용하는 경우
  • 모든 스레드가 항상 최신의 값을 읽어야 하는 경우 ( 동일 시점에 동을 스레드가 같은 값을 보장 )
• 단점
  • 변수가 하나일 때만 사용할 수 있다.
  • 변수의 값을 읽고 쓰는 연산이 원자적이지 않다. = 단순히 최신 값만 보여짐

Atomic

• java.util.concurrent.atomic 패키지에 있는 클래스들을 사용하여 원자적 연산을 제공한다.
  • java.util.concurrent.* 여기있는건 동시성 제어를 위한 클래스들이다.
• Atomic 클래스들은 내부적으로 CAS(Compare And Swap) 연산을 사용하여 원자적 연산을 제공한다.
• 예시 ) java private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
• 사용하는 경우
  • 변수의 값을 읽고 쓰는 연산이 원자적이어야 하는 경우
• 단점
  • 변수가 하나일 때만 사용할 수 있다.
  • 변수의 값을 읽고 쓰는 연산이 원자적이지 않다.

동시성 문제 해결 방법 <과제>

• 공통 요구사항
  • 동일 유저에 대한 포인트 조회/충전/사용은 한번에 하나의 요청만 처리 가능
    • 다른 유저라면 동시에 처리 가능해야함 (유저별로 lock)

동일 유저에 대한 포인트 조회/충전/사용은 한번에 하나의 요청만 처리 가능

• synchronized 으로 구현(X) => 모든 유저가 대기해야함
• volatile 로 구현(X) => 동일 유저에 대한 요청이와도 동시에 처리
• Atomic 정의 만 보았 을 때 사용 가능 => concurrent 패키지를 찾아보자

java.util.concurrent

• 

ReentrantLock

• ReentrantLock는 Lock 인터페이스의 구현체로 공정성, 비공정성 옵션(fair)을 가지고 있다.
• ReentrantLock은 lock(), unlock() 메소드를 사용하여 임계 영역을 설정한다.

ReentrantReadWriteLock

• ReentrantReadWriteLock은 읽기와 쓰기를 분리하여 잠금을 설정한다.
• 읽기 잠금은 여러 스레드가 동시에 접근할 수 있지만 쓰기 잠금은 한번에 하나의 스레드만 접근할 수 있다.

ReentrantLock 사용

• 근거 : ReentrantLock은 lock(), unlock() 메소드를 사용하여 임계 영역을 설정한다.
  • 임계 영역을 선택한다는건 우리가 원하는 범위에 동시성 제어가 가능,
• ReentrantLock 하나만으로 처리가 가능할까? NO.... 다른 유저라면 동시에 처리 가능해야 한다.

결론... ReentrantLock + ConcurrentHashMap

• ConcurrentHashMap을 사용하여 유저별로 lock을 걸어준다.
• ConcurrentHashMap<Long, Lock> map = new ConcurrentHashMap<>(); 으로 선언
• Lock lock = map.computeIfAbsent(id, k -> new ReentrantLock(true)); 을 이용해 lock을 생성하거나 가져온다.
• lock를 동시에 생성하고 동시에 lock을 걸어주면 어떻게될까? 라는 의문이 생겼다.
  • computeIfAbsent는 동시에 여러 스레드가 호출해도 한번반 실행을 보장하는 함수임으로 그럴리 없다고 되어 있다. ( 함수 설명 )
  • 오래걸리는 작업을 진행할 경우 뒤에 호출한 스레드는 블로킹 상태에 빠진다.

동시성 제어 테스트 도구

• ExecutorService : 스레드 풀을 생성하고 관리하는 클래스
• Executors.newFixedThreadPool(N); : N개의 스레드를 가지는 스레드 풀 생성 ( 한번에 실행될 스레드 풀 )
• CountDownLatch : 스레드가 종료될 때까지 대기하는 클래스
  • countDownLatch.await(); : countDownLatch의 count가 0이 될 때까지 대기한다.
    • 과제에서는 메인 스레드가 0이 될 떄까지 대기 하기 위해 사용
  • countDownLatch.countDown(); : countDownLatch의 count를 1 감소시킨다.

동시성제어 테스트에서 바라던 점

• 포인트 충전/사용 시 예상된 기대값과 같은지 확인
• 동시성 제어가 잘 되는지 코드로 확인
• ReentrantLock의 공정성 옵션을 사용하였 을 때 호출 순서대로 실행되는지 확인

테스트 결과

• 포인트 충전/사용 을 이용하여 동일하게 스레드를 이용하여 호출 했을 때 최종 포인트가 기대값과 같은 것을 확인 (O)
• 동시성 제어가 잘 되는지 코드로 확인 (X)
  • => 코드로 확인하기 어려움
• ReentrantLock의 공정성 옵션을 사용하였 을 때 호출 순서대로 실행되는지 확인 (X)
  • => History를 log로 찍어서 확인 하였으나 newFixedThreadPool을 이용한 호출이 비동기로 실행됨으로 순서대로 실행되지 않음
• 결론 : 동시성 제어는 잘 되는 것으로 보이나 코드로 확인하기 어려움

우리가 진행한 동시성 제어에 대한 제한사항

• 단일 인스턴스 내에서 동작하는 제어방식
  • 실제 운영 환경에서는 여러 인스턴스가 동작하게 되므로 이를 고려하지 않았음

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참고

• Thread 환경에서 동시성을 제어하는 방법
• Java의 concurrent 패키지