동시성(Concurrency)과의 싸움: 자바 멀티스레딩의 이해와 동기화 기법

현대 소프트웨어에서 **멀티스레딩(Multithreading)**은 애플리케이션의 성능 향상과 응답성 개선을 위한 핵심 기술입니다. 특히 자바(Java)는 멀티스레딩 기능을 강력하게 지원하며, 다수의 작업을 동시에 처리하여 CPU 자원을 효율적으로 사용하게 해줍니다. 하지만 여러 스레드가 **공유 자원(Shared Resource)**에 동시에 접근할 때 발생하는 **동시성 문제(Concurrency Issue)**는 개발자에게 큰 도전 과제입니다. 이 글에서는 자바 멀티스레딩의 기본 개념을 이해하고, 이 '동시성과의 싸움'에서 승리하기 위한 필수적인 동기화 기법들을 살펴보겠습니다.

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1. 자바 멀티스레딩의 기본 이해

멀티스레딩은 하나의 프로세스(Process) 내에서 여러 개의 **스레드(Thread)**가 동시에 실행되는 프로그래밍 기법입니다.

• 스레드란?
  프로세스 내에서 실제로 작업을 수행하는 가장 작은 실행 단위입니다. 모든 스레드는 프로세스의 메모리 영역과 자원을 공유합니다.
• 멀티스레딩의 이점

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2. 피할 수 없는 동시성 문제 (Concurrency Issue)

멀티스레딩의 장점은 명확하지만, 여러 스레드가 하나의 자원(예: 전역 변수, 객체 필드, 파일 등)을 동시에 읽거나 쓸 때 문제가 발생합니다. 대표적인 동시성 문제는 다음과 같습니다.

2.1. 경쟁 조건 (Race Condition)

여러 스레드가 공유 데이터를 조작할 때, 어떤 스레드가 먼저 접근하느냐에 따라 실행 결과가 달라지는 상황입니다. 예를 들어, count++와 같은 단순한 연산도 내부적으로는 '값 읽기', '1 증가', '값 쓰기'의 여러 단계로 나뉘어, 스레드 간의 실행 순서가 꼬이면 예상치 못한 데이터 불일치(Data Inconsistency)가 발생합니다.

2.2. 메모리 가시성 문제 (Memory Visibility Problem)

각 스레드는 성능 향상을 위해 공유 데이터를 메인 메모리가 아닌 CPU 캐시 메모리에 저장하고 사용합니다. 한 스레드가 공유 변수의 값을 변경하더라도, 다른 스레드가 자신의 캐시 메모리에 있는 **오래된 값(Stale Value)**을 읽게 되어 데이터의 불일치가 발생할 수 있습니다.

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3. 동시성과의 싸움: 자바 동기화 기법

자바는 이러한 동시성 문제를 해결하고 스레드 안전성(Thread Safety)을 확보하기 위해 다양한 동기화(Synchronization) 기법을 제공합니다. 동기화의 핵심은 특정 시점에 오직 하나의 스레드만이 공유 자원에 접근하도록 제한하는 **상호 배제(Mutual Exclusion)**와, 변경된 값이 다른 스레드에게 보이도록(가시성) 보장하는 것입니다.

3.1. synchronized 키워드 (내재된 락)

가장 기본적이면서 강력한 동기화 메커니즘입니다. 메소드나 코드 블록에 사용될 수 있으며, **객체 내부의 고유한 락(Intrinsic Lock, Monitor Lock)**을 사용하여 상호 배제를 구현합니다.

• synchronized 메소드: 해당 메소드 전체를 동기화하며, 스레드가 이 메소드를 실행하는 동안 해당 객체의 락을 획득합니다.
• synchronized 블록: 코드의 특정 부분만 동기화하며, 괄호 안에 지정된 객체의 락을 획득합니다. 동기화 범위를 최소화하여 성능 저하를 줄이는 데 유리합니다.

3.2. volatile 키워드 (가시성 보장)

변수에 volatile 키워드를 사용하면 해당 변수의 읽기와 쓰기가 메인 메모리에서 직접 이루어지도록 강제합니다.

• 역할: 스레드의 로컬 캐시 사용을 막고, 메모리 가시성을 보장합니다.
• 주의: volatile은 단순한 읽기와 쓰기 작업의 원자성(Atomicity)은 보장하지만, **복합적인 작업(count++ 등)**의 원자성(경쟁 조건)은 보장하지 못합니다. 복합적인 작업에는 synchronized나 Atomic 클래스가 필요합니다.

3.3. java.util.concurrent.locks 패키지 (명시적 락)

synchronized가 제공하는 기본적인 락보다 더 세밀한 제어가 필요할 때 사용됩니다. 대표적으로 Lock 인터페이스와 그 구현체인 **ReentrantLock**이 있습니다.

• 장점:

3.4. java.util.concurrent.atomic 패키지 (원자적 변수)

AtomicInteger, AtomicLong 등은 CAS(Compare-and-Swap) 알고리즘을 사용하여 락(Lock) 없이도 변수의 복합적인 연산(count++ 등)의 원자성을 보장합니다.

• 장점: 락을 사용하지 않기 때문에 일반적인 synchronized 방식보다 성능 오버헤드가 적고, 경합(Contention) 상황에서도 높은 성능을 유지할 수 있습니다. 경합이 적은 간단한 카운터 증가 등에 매우 효과적입니다.

3.5. Concurrent Collection

멀티스레딩 환경에서 안전하게 사용할 수 있도록 설계된 컬렉션입니다.

• ConcurrentHashMap: 기존 Hashtable이나 Collections.synchronizedMap()보다 높은 동시성을 제공하며, 읽기 작업에는 락을 사용하지 않아 성능이 우수합니다.
• CopyOnWriteArrayList: 쓰기(Write) 작업 시 내부 배열을 복사하여 처리하고, 읽기(Read) 작업은 락 없이 수행하여 다수의 읽기 작업에 최적화되어 있습니다.

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4. 결론: 현명한 동시성 관리 💡

자바 멀티스레딩은 강력한 무기이지만, 동시성 문제를 해결하지 못하면 심각한 버그와 예측 불가능한 결과를 초래할 수 있습니다.

핵심은 '필요한 곳에만, 올바른 도구를 사용하여' 동기화를 적용하는 것입니다.

과도한 동기화는 락 경합을 증가시켜 오히려 성능을 저하시키고, **데드락(Deadlock)**과 같은 심각한 Liveness 문제(프로그램이 멈추는 문제)를 유발할 수 있습니다. 따라서 멀티스레딩 환경에서는 다음과 같은 원칙을 염두에 두어야 합니다.

1. 공유 자원 최소화: 스레드 간에 공유되는 데이터를 최대한 줄입니다.
2. 불변 객체(Immutable Object) 활용: 한 번 생성되면 상태가 변하지 않는 객체는 스레드에 안전하므로 동기화가 필요 없습니다.
3. 최신 Concurrency 유틸리티 사용: synchronized 대신 Atomic 클래스나 Concurrent Collection 등 최적화된 도구를 우선적으로 고려합니다.

동시성은 복잡하지만, 이러한 기본 개념과 동기화 기법을 숙지한다면 자바 애플리케이션의 안정성과 성능을 한 단계 끌어올릴 수 있을 것입니다.