item 76 : 가능한 한 실패 원자적으로 만들라

1. 실패 원자성(Failure-Atomic) 정의 및 개념

실패 원자성(Failure-Atomic)은 메서드 호출이 실패하더라도 해당 객체가 이전 상태를 유지해야 하는 특성을 말한다.

이를 통해, 호출자가 오류 상태를 복구할 수 있으며, 예외가 발생해도 객체가 불안정한 상태에 빠지지 않도록 보장한다.
실패 원자성을 지키는 것은 신뢰성 높은 소프트웨어 설계의 핵심 중 하나이다.

2. 실패 원자성을 구현하는 방법

1) 불변 객체(Immutable Object) 사용

불변 객체는 본질적으로 실패 원자적이다.
- 불변 객체는 상태가 생성 시점에 고정되며 이후 절대 변경되지 않는다.
- 메서드가 실패하더라도 객체의 상태는 안전하게 유지된다.

예시:

public final class Point {
    private final int x;
    private final int y;

    public Point(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    public Point translate(int dx, int dy) {
        return new Point(x + dx, y + dy); // 새로운 객체 반환
    }
}

translate 메서드가 실패하더라도 기존 객체인 Point는 영향받지 않는다.

2) 매개변수 유효성 검사

가변 객체에서 매개변수의 유효성을 먼저 검증하면, 내부 상태 변경 전에 예외를 처리할 수 있다.
유효성 검사는 객체 상태가 예외로 인해 손상되지 않도록 방지하는 중요한 단계다.

예시: Stack.pop 메서드

public class Stack {
    private Object[] elements;
    private int size = 0;

    public Object pop() {
        if (size == 0) {
            throw new EmptyStackException();
        }
        Object result = elements[--size];
        elements[size] = null; // 참조 해제
        return result;
    }
}

if (size == 0) 조건으로 빈 스택에서의 호출을 사전에 방지함.
만약 이 검사가 없었다면, ArrayIndexOutOfBoundsException이 발생하고 스택 상태가 손상될 가능성이 있음.

3) 실패 가능 코드의 위치 조정

객체 상태를 변경하는 코드보다 실패 가능성이 있는 코드를 앞에 배치한다.
예외가 발생할 가능성이 있는 작업을 미리 처리하여 내부 상태 변경 전에 예외가 발생하도록 보장.

예시: TreeMap

TreeMap은 원소를 추가하기 전에 원소가 비교 가능한 타입인지 확인한다.
잘못된 타입의 원소를 추가하려 할 때는 트리가 수정되기 전에 ClassCastException이 발생한다.

TreeMap<String, String> map = new TreeMap<>();
map.put("key1", "value1");
map.put("key2", 123); // ClassCastException 발생

원소를 추가하기 전에 비교 연산이 수행되어 상태 변경 없이 예외가 발생.

4) 임시 복사본 사용

작업을 임시 복사본에서 수행하고, 작업이 성공적으로 완료되었을 때만 원래 객체와 교체.
데이터 무결성을 유지하면서도, 작업 실패 시 기존 상태를 그대로 유지.

예시: 정렬 메서드

정렬 알고리즘이 입력 데이터를 직접 수정하지 않고 임시 자료구조에 복사하여 작업.

public void sort(List<Integer> list) {
    List<Integer> temp = new ArrayList<>(list); // 입력 리스트 복사
    Collections.sort(temp); // 복사본에서 작업 수행
    // 성공적으로 완료되면 결과를 반환하거나 교체
}

정렬 실패 시 원래 리스트는 영향을 받지 않음.

5) 실패 후 상태 복구

작업 중 일부가 실패했더라도 객체를 이전 상태로 되돌리는 로직을 구현할 수 있다.
이는 복잡할 수 있지만, 실패 원자성을 제공하기 위한 효과적인 방법이다.
주로 내구성이 요구되는 시스템(예: 디스크 기반 데이터베이스)에 사용.

예시:

public class TransactionManager {
    private boolean transactionStarted;

    public void startTransaction() {
        transactionStarted = true;
    }

    public void commitTransaction() {
        if (!transactionStarted) {
            throw new IllegalStateException("No transaction started");
        }
        // 커밋 로직 수행
        transactionStarted = false;
    }

    public void rollbackTransaction() {
        if (!transactionStarted) {
            return; // 이미 롤백된 상태
        }
        // 복구 로직 수행
        transactionStarted = false; // 상태 복원
    }
}

3. 추가 고려사항

실패 원자성의 한계

실패 원자성을 항상 달성할 수 있는 것은 아니다.
비용이나 복잡성이 지나치게 큰 연산에서는 실패 원자성을 추구하지 않을 수도 있다.
예를 들어, 여러 스레드가 동기화 없이 동일 객체를 수정하면 ConcurrentModificationException이 발생하며, 이 경우 객체의 상태를 복구할 수 없을 수도 있다.
Error와 같은 복구 불가능한 문제는 실패 원자성을 고려하지 않아도 된다.

메서드 명세와 API 문서화

메서드가 실패하더라도 객체 상태가 이전 상태를 유지해야 한다는 것을 명시적으로 문서화해야 한다.
예외가 발생할 경우 객체 상태가 변경될 수밖에 없는 상황이라면, 이를 API 문서에 반드시 기술해야 한다.

📚 정리

실패 원자성을 지키면 예외가 발생하더라도 객체는 일관된 상태를 유지하며, 호출자가 오류를 복구하기 용이하다.
실패 원자성을 확보하기 위해 불변 객체 사용, 유효성 검사, 임시 복사본 활용, 상태 복구 로직 등을 설계에 반영하자.
신뢰성 높은 소프트웨어를 만들기 위해 메서드 명세와 문서화를 통해 개발자에게 기대 동작을 명확히 전달하는 것도 중요하다.

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