Java Volatile

29/10/2024 13:25

Java

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Volatile

Java의 volatile은 멀티스레드 환경에서 변수의 가시성을 보장하고, 명령어 재정렬을 방지하기 위해 사용되는 키워드다.

런타임에서 자바의 변수는 일반적으로 각 스레드의 PC Register의 캐시 메모리(또는 작업 메모리)에 복사되어 효율적인 연산을 수행한다. 그러나 이 방식은 멀티스레드 환경에서 변수의 최신 상태를 다른 스레드가 즉시 확인하지 못하는 경우가 발생해, 일관성을 보장하지 못해 RaceCondition 같은 문제가 발생할 수 있다.

Volatile 주요 기능

가시성 보장
- volatile 변수에 대한 쓰기 작업이 발생하면 해당 값이 메인 메모리에 반영되고, 이로 인해 다른 스레드가 접근할 때 메인 메모리를 먼저 참조하여 캐시 메모리를 최신화하여, 이를 “가시성을 보장한다”고 한다.
- 단일스레드 환경에서는 원자성을 보장하지만, 멀티스레드 환경에서는 100% 보장되지 않는다. 이를 위해 엄격한 규칙이 필요하다.(이후 예시로 설명)
명령어 재정렬 방지
- 컴파일러와 CPU는 최적화를 위해 코드의 실행 순서를 변경할 수 있다. 이러한 최적화는 단일 스레드 환경에서는 문제가 없지만, 멀티스레드 환경에서는 일관성이 깨질 수 있다.
- volatile 변수는 명령어 재정렬을 방지하여 변수의 쓰기 작업이 다른 연산들 앞뒤로 재배치되지 않도록 보장한다.

먼저, 명령어 재정렬은 컴파일러와 CPU가 최적화를 위해 코드의 실행 순서를 효율적으로 변경하는 작업이다. 이 과정은 단일 스레드 환경에서는 문제가 없지만, 멀티스레드 환경에서는 예기치 않은 결과가 발생할 수 있다.

volatile 키워드는 이러한 명령어 재정렬이 방지되어, 변수의 쓰기 작업이 다른 연산들 앞뒤로 재배치되지 않도록 보장한다.

말로 설명하면 이해가 안될 수 있으니, 코드로 봐보자.

class ReorderingExample {
    private int x = 0;
    private boolean flag = false;

    public void writer() {
        x = 42;           // 명령어 1
        flag = true;      // 명령어 2
    }

    public void reader() {
        if (flag) {                 // 명령어 3
            System.out.println(x);   // 명령어 4
        }
    }
}

두 개의 스레드가 있다고 가정해보자.

스레드 A는 writer()를 호출해 x와 flag를 초기화
스레드 B는 reader()를 호출해 flag 값을 확인하고, true라면 x값 출력

문제 발생 가능성

컴파일러나 CPU가 최적화를 위해 명령어 1과 2의 순서를 바꾸면 다음과 같이 재정렬될 수 있다.

public void writer() {
    flag = true;     // 명령어 2
    x = 42;          // 명령어 1
}

이 경우 스레드 B가 reader()를 실행할 때 flag는 true이지만, x가 아직 0으로 나오는 상태를 볼 수 있다.(RaceCondition 발생)

해결 방법

flag 변수를 volatile로 선언하면, JVM은 명령어 재정렬을 방지하여 쓰기 작업의 순서를 보장한다.

// 이렇게 하면 writer()는 x = 42가 flag = true 앞에 있어야 한다는 규칙이 지켜진다.
private volatile boolean flag = false;

public void writer() {
    x = 42;           // 명령어 1
    flag = true;      // 명령어 2
}

volatile 원자성 보장, 그리고 CopyOnWriteArrayList

앞서 설명 했듯이, volatile은 100% 원자성을 보장하지 못한다. volatile이 원자성을 보장하는 경우는 하나의 스레드에서 쓰기 작업을 하고, 다른 스레드에서 읽기 작업을 할 때다.

아주 좋은 예시로, java.util.concurrent 패키지의 CopyOnWriteArrayList가 있다.

CopyOnWriteArrayList에 대해 짧게 설명해보자면,

쓰기 작업이 적고, 읽기 작업이 많은 경우에 사용해야한다.
쓰기 작업에만 동기화(synchronized)가 걸려있고, 읽기 작업에는 동기화가 되어있지 않으므로, 효율적으로 동기화 작업을 수행한다.

CopyOnWriteArrayList의 내부 코드를 참고해보자.

public class CopyOnWriteArrayList<E> implements List<E>, ... {
    //...
    final transient Object lock = new Object();
    private transient volatile Object[] array;

    static <E> E elementAt(Object[] var0, int var1) {
        return var0[var1];
    }

    public E get(int var1) {
        return elementAt(this.getArray(), var1);
    }
    
    public boolean add(E var1) {
        synchronized(this.lock) {
            //...
        }
    }
    //...
}

volatile이 선언된 array 필드
읽기 작업(get 메서드)에는 동기화가 걸려있지 않고, 쓰기 작업(add, remove, set 등)에는 동기화로 보호되어 있다.

즉, array 필드가 volatile로 선언되어 모든 읽기 작업에서 최신 데이터를 참조하며, 쓰기 작업은 synchronized로 보호되어 데이터 일관성을 유지한다. 이는 멀티스레드 환경에서 효율적으로 동기화를 보장하는 설계다.

Java Volatile

Volatile 주요 기능

volatile 원자성 보장, 그리고 CopyOnWriteArrayList

참고 자료