스레드 안전성

1. 스레드와 동기화

• 스레드는 동시에 여러 작업을 병렬로 처리할 수 있게 해주는 프로그래밍 기법입니다. 자바에서는 멀티스레딩을 통해 여러 스레드가 하나의 객체나 데이터를 동시에 접근할 수 있습니다.

• **동기화(synchronization)**는 여러 스레드가 같은 데이터에 접근할 때 데이터가 손상되거나 잘못된 값이 읽히지 않도록 보호하는 메커니즘입니다. 동기화 없이 여러 스레드가 동시에 하나의 객체를 수정하면 경쟁 조건(Race Condition) 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

2. 메모리 모델

• 자바는 메모리 모델을 통해 스레드 간의 데이터 가시성을 정의합니다. 즉, 하나의 스레드에서 만든 객체를 다른 스레드로 넘길 때, 그 객체가 어떻게 다른 스레드에서 볼 수 있는지와 동작할 수 있는지를 설명하는 것이 메모리 모델입니다.

• 자바 메모리 모델은 각 스레드가 메모리와 어떻게 상호작용하는지, 데이터가 **주 메모리(Main Memory)**에 어떻게 쓰이고 읽히는지를 설명합니다. 예를 들어, 한 스레드가 객체를 만들고 값을 초기화한 후, 그 객체를 다른 스레드로 넘길 때 다른 스레드가 해당 값을 제대로 읽을 수 있는지의 문제가 여기에 해당합니다.

문제점: 동기화 없이 인스턴스를 다른 스레드로 넘길 때

만약 동기화 없이 한 스레드에서 만든 객체를 다른 스레드로 넘기면, 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다:

1. 가시성 문제(Visibility Issue): 스레드 A에서 객체를 생성하고 필드를 초기화한 후, 그 객체를 스레드 B로 넘길 때, 스레드 B는 스레드 A에서 변경한 값을 볼 수 없을 수 있습니다. 이는 자바 메모리 모델에서 변경된 값이 주 메모리에 바로 기록되지 않기 때문에 발생합니다. 따라서 스레드 B는 스레드 A가 만든 객체의 초기 상태나 예상치 못한 값을 볼 수 있습니다.

2. 명령어 재배열(Reordering): 자바 컴파일러와 CPU는 최적화를 위해 명령어 재배열을 할 수 있습니다. 즉, 객체를 생성하고 초기화하는 순서가 스레드 A에서 스레드 B로 넘어가는 과정에서 변경될 수 있어, 객체가 완전히 초기화되기 전에 다른 스레드에서 그 객체에 접근할 위험이 있습니다. 이런 경우, 스레드 B는 완전히 초기화되지 않은 객체를 볼 수 있습니다.

해결 방법: 안전한 객체 전달을 위한 방법

자바에서는 동기화 없이도 안전하게 객체를 다른 스레드로 넘기는 방법이 있습니다. 다음 방법들이 자주 사용됩니다:

1. 불변 객체(Immutable Object): 불변 객체는 한 번 생성되면 절대 상태가 변경되지 않는 객체입니다. 불변 객체는 생성 과정 중에 다른 스레드에 노출되더라도 안전합니다. 왜냐하면 객체의 상태가 변경되지 않기 때문에, 다른 스레드가 그 객체를 읽더라도 안전하게 사용할 수 있기 때문입니다. 자바의 String이나 Integer 같은 클래스가 그 예입니다.

2. final 필드: 자바에서 final 키워드로 선언된 필드는 생성자가 완료된 이후에 값이 변경되지 않도록 보장합니다. final 필드로 선언된 변수는 스레드 간에 안전하게 공유될 수 있습니다. 즉, 객체가 다른 스레드에 넘겨졌을 때, final 필드 값은 언제나 정확한 값으로 볼 수 있도록 보장됩니다.

3. volatile 키워드: 자바에서는 volatile 키워드를 사용해 변수를 읽거나 쓸 때 항상 주 메모리와 동기화되도록 강제할 수 있습니다. volatile 변수는 여러 스레드 간에 동일한 값을 항상 볼 수 있도록 보장하기 때문에, 동기화 없이 객체를 안전하게 공유할 수 있게 도와줍니다.

4. 스레드 컨텍스트 전환 후 전달: 객체를 스레드 간에 넘기기 전에 그 객체가 완전히 생성되고 초기화되었음을 보장하는 방법입니다. 예를 들어, 객체가 생성된 후 스레드를 시작하거나, 객체를 넘기기 전에 락을 사용하여 동기화하는 방식으로 안전하게 넘길 수 있습니다.

요약

• 자바의 메모리 모델에 따르면, 스레드 간에 객체를 안전하게 공유하기 위해서는 동기화가 필요합니다. 하지만 불변 객체나 final 필드 또는 volatile 키워드 같은 기술을 사용하면 동기화 없이도 안전하게 객체를 다른 스레드로 넘길 수 있습니다.

• 이러한 개념은 멀티스레딩 환경에서 데이터 가시성과 일관성을 보장하는 데 매우 중요합니다. 특히 객체가 완전히 초기화된 후 다른 스레드로 넘기는 것이 중요하며, 이를 보장하지 않으면 스레드 간의 데이터 손상이나 예상치 못한 동작이 발생할 수 있습니다.