[Java] 동기화 메소드와 동기화 블록

공유 객체를 사용할 때의 주의할 점

싱글 스레드 프로그램에서는 한 개의 스레드가 객체를 독차지해서 사용하면 되지만, 멀티 스레드 프로그램에서는 스레드들이 객체를 공유해서 작업해야 하는 경우가 있다. 이 경우, 스레드 A를 사용하던 객체가 스레드 B에 의해 상태가 변경될 수 있기 때문에 스레드 A가 의도했던 것과는 다른 결과를 산출할 수도 있다. 이는 마치 여러 사람이 계산기를 함께 나눠 쓰는 상황과 같아서 사람 A가 계산기로 작업을 하다가 계산 결과를 메모리에 저장한 뒤 잠시 자리를 비웠을 때 사람 B가 계산기를 만져서 앞 사람이 메모리에 저장한 값을 다른 값으로 변경하는 것과 같다. 그런 다음 사람 A가 돌아와 계산기에 저장된 값을 이용해서 작업을 진행한다면 결국 사람 A는 엉터리 값을 이용하게 된다.

 

User1 스레드가 Calculator 객체의 memory 필드에 100을 먼저 저장하고 2초간 일시 정지 상태가 된다. 그 동안에 User2 스레드가 memory 필드값을 50으로 변경한다. 2초가 지나 User1 스레드가 다시 실행 상태가 되어 memory 필드의 값을 출력하면 User2가 저장한 50이 나온다.

// MainThreadExample.java -- 메인 스레드가 실행하는 코드
public class MainThreadExample {
    public static void main(String[] args) {
        Calculator calculator = new Calculator();
        
        User1 user1 = new User1();
        user1.setCalculator(calculator);
        user1.start();
        
        User2 user2 = new User2();
        user2.setCalculator(calculator);
        user2.start();
    }
}

// Calculator.java -- 공유 객체
public class Calculator {
    private int memory;
    
    public int getMemory() {
        return memory;
    }
    
    public void setMomory(int memory) {
        this.memory = memory;
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch(INterruptedException e) {}
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "; " + this.memory);
    }
}

// User1.java -- User1 스레드
public class User1 extends Thread {
    private Calculator calculator;
    
    public void setCalculator(Calculator calculator) {
        this.setName("User1");
        this.calculator = calculator;
    }
    
    public void run() {
        claculator.setMemory(100);
    }
}

// User2.java -- User2 스레드
public class User2 extends Thread {
    private Calculator calculator;
    
    public void setCalculator(Calculator calculator) {
        this.setName("User2");
        this.calculator = calculator;
    }
    
    public void run() {
        claculator.setMemory(50);
    }
}

 

동기화 메소드 및 동기화 블록

스레드가 사용중인 객체를 다른 스레드가 변경할 수 없고록 하려면 스레드 작업이 끝날 때까지 객체에 잠금을 걸어서 다른 스레드가 사용할 수 없도록 해야 한다. 멀티 스레드 프로그램에서 단 하나의 스레드만 실행할 수 있는 코드 영역을 임계 영역(critical section)이라고 한다. 자바는 임계 영역을 지정하기 위해 동기화(synchronized) 메소드와 동기화 블록을 제공한다. 스레드가 객체 내부의 동기화 메소드 또는 블록에 들어가면 즉시 객체에 잠금을 걸어 다른 스레드가 임계 영역 코드를 실행하지 못하도록 한다. 동기화 메소드를 만드는 방법은 다음과 같이 메소드 선언에 synchronized 키워드를 붙이면 된다. synchronized 키워드는 인스턴스와 정적 메소드 어디든 붙일 수 있다.

public synchronized void method() {
    임계 영역; // 단 하나의 스레드만 실행
}

 

동기화 메소드는 메소드 전체 내용이 임계 영역이므로 스레드가 동기화 메소드를 실행하는 즉시 객체에는 잠금이 일어나고, 스레드가 동기화 메소드를 실행 종료하면 잠금이 풀린다. 메소드 전체 내용이 아니라, 일부 내용만 임계 영역으로 만들고 싶다면 다음과 같이 동기화(synchronized) 블록을 만들면 된다.

public void method() {
    // 여러 스레드가 실행 가능 영역
    ...
    synchronized(공유객체) {
         임계 영역 // 단 하나의 스레드만 실행
    }
    // 여러 스레드가 실행 가능 영역
    ...
}

 

동기화 블록의 외부 코드들은 여러 스레드가 동시에 실행할 수 있지만, 동기화 블록의 내부 코드는 임계 영역이므로 한 번에 한 스레드만 실행할 수 있고 다른 스레드는 실행할 수 없다. 만약 동기화 메소드와 동기화 블록이 여러 개 있을 경우, 스레드가 이들 중 하나를 실행할 때 다른 스레드는 해당 메소드는 물론이고 다른 동기화 메소드 및 블록도 실행할 수 없다. 하지만 메소드는 실행이 가능하다.

 

다음 예제는 이전 예제에서 문제가 된 공유 객체인 Calculator를 수정한 것이다. Calculator의 setMemory() 메소드를 동기화 메소드로 만들어서 User1 스레드가 setMemory()를 실행할 동안 User2 스레드가 setMemory() 메소드를 실행할 수 없도록 했다.

// Calculator.java -- 동기화 메소드로 수정된 공유 객체
public class Calculator {
    private int memory;
    
    public int getMemory() {
        return memory;
    }
    
    public synchronized void setMemory(int memory) {
        this.memory = memory;
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch(InterruptedException e) {}
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + this.memory);
    }
}

 

User1 스레드는 Calculator 객체의 동기화 메소드인 setMemory()를 실행하는 순간 Calculator 객체를 잠근다. 메인 스레드가 User2 스레드를 실행시키지만, 동기화 메소드인 setMemory()를 실행시키지는 못하고 User1이 setMemory()를 모두 실행할 동안 대기해야 한다. User1 스레드가 setMemory() 메소드를 모두 실행하고 나면 User2 스레드가 setMemory() 메소드를 실행한다. 결국 User1 스레드가 Calculator 객체를 사용할 동안 User2 스레드는 Calculator 객체를 사용하지 못하므로 User1 스레드는 안전하게 방해받지 않고 Caculator 객체를 사용할 수 있게 된다. 위 예제에서는 Calculator 객체의 setMemory() 메소드를 동기화 메소드로 만들었는데, 다음과 같이 동기화 블록으로도 만들 수 있다.

public void setMemory(int memory) {
    synchronized(this) {
        this.memory = memory;
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch(InterruptedException e) {}
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + this.memory + " 저장");
    }
}

 

스레드가 동기화 블록으로 들어가면 this(Calculator 객체)를 잠그고, 동기화 블록을 실행한다. 동기화 블록을 모두 실행할 때까지 다른 스레드들은 this(Caluclator 객체)의 모든 동기화 메소드 또는 동기화 블록을 실행할 수 없게 된다.