Ch10. 동기화와 원자적 연산(CAS) - CAS 락 구현

CAS는 단순한 연산뿐만 아니라, 락을 구현하는데 사용할 수도 있다. "synchronized" , "Lock(ReentrantLock)" 없이 CAS를 활용해서 락을 구현해 보자.

문제 코드(CAS 적용 전)

실행 코드 - CAS 적용 X

• 스레드가 락을 획득하면 lock의 값이 true 가 된다.
• 스레드가 락을 반납하면 lock의 값이 false 가 된다.
• 스레드가 락을 획득하면 while문을 탈출한다.
• 스레드가 락을 획득하지 못하면 락을 획득할 때까지 while문을 계속 반복 실행한다.

실행 코드 - Main

실행 결과

실행 결과를 보면 기대와는 다르게 "Thread-1", "Thread-2" 둘 다 동시에 락을 획득하고 비즈니스 로직을 동시에 수행해 버린다.

실행 결과 분석

lock의 초기값은 false이다. "Thread-1"과 "Thread-2"는 동시에 실행된다.

• Thread-1 : lock()을 호출해서 락 획득을 시도한다.
• Thread-2 : lock()을 호출해서 락 획득을 시도한다.
• Thread-1 : if (! lock)에서 락의 사용 여부를 확인한다. lock의 값이 false이다.
  • if(! lock) ->  if (! false) -> if (true) 이므로 if문을 통과한다.
• Thread-2 : if (! lock)에서 락의 사용 여부를 확인한다. lock의 값이 false이다.
  • if (! lock) -> if (! false) -> if (true) 이므로 if문을 통과한다.
• Thread-1 : lock = true; 를 호출해서 락의 값을 변경한다.
  • 이 시점에 lock 은 false -> true 가 된다.
• Thread-2 : lock = true; 를 호출해서 락의 값을 변경한다.
  • 이 시점에 lock 은 true -> true 가 된다.
• Thread-1 , Thread-2 둘 다 break를 통해 while문을 탈출한다.
• Thread-1 , Thread-2 둘 다 획득을 완료하고, 비즈니스 로직을 수행한 다음에 락을 반납한다

여기서는 두 부분이 원자적이지 않다는 문제가 있다.

1. 락 사용 여부 확인
2. 락의 값 변경

이 둘은 한 번에 하나의 스레드만 실행해야 한다. 따라서 synchronized 또는 Lock을 사용해서 두 코드를 동기화해 서 안전한 임계 영역을 만들어야 한다.
여기서 다른 해결 방안도 있다. 바로 두 코드를 하나로 묶어서 원자적으로 처리하는 것이다. CAS 연산을 사용하면 두 연산을 하나로 묶어서 하나의 원자적인 연산으로 처리할 수 있다. 락의 사용 여부를 확인하고, 그 값이 기대하는 값과 같다면 변경하는 것이다. 이것은 CAS 연산에 딱 들어맞는다!

 

참고로 락을 반납하는 다음 연산은 연산이 하나인 원자적인 연산이다. 따라서 이 부분은 여러 스레드가 함께 실행해도 문제가 발생하지 않는다.

   public void unlock() {
        lock = false;
        log("락 반납 완료");
    }

 

CAS 적용 Lock

실행 코드 - CAS 적용 O

• CAS 연산을 지원하는 AtomicBoolean을 사용했다.
• 스레드가 락을 획득하면 lock의 값이 true 가 된다.
• 스레드가 락을 반납하면 lock의 값이 false 가 된다.
• 스레드가 락을 획득하면 while문을 탈출한다.
• 스레드가 락을 획득하지 못하면 락을 획득할 때까지 while문을 계속 반복 실행한다.

락을 획득할 때 매우 중요한 부분이 있다. 바로 다음 두 연산을 하나로 만들어야 한다는 점이다.

1. 락 사용 여부 확인
2. 락의 값 변경

락을 획득하기 위해 먼저 락의 사용 여부를 확인했을 때 lock의 현재 값이 반드시 false여야 한다. true는 이미 다른 스레드가 락을 획득했다는 뜻이다. 따라서 이 값이 false일 때만 락의 값을 변경할 수 있다. 락의 값이 false 인 것을 확인한 시점부터 lock의 값을 true로 변경할 때까지 lock의 값은 반드시 false를 유지해야 한다.

중간에 다른 스레드가 lock의 값을 true로 변경하면 안 된다. 그러면 여러 스레드가 임계 영역을 통과하는 동시성 문제가 발생한다. CAS 연산은 이 두 연산을 하나의 원자적인 연산으로 만들어준다.

lock.compareAndSet(false, true)

락 사용 여부 확인: lock의 false 이면

락의 값 변경: lock의 값을 true로 변경해라.

실행 코드 - Main

실행 결과

• lock의 초기값은 false이다.
  • Thread-1 : lock()을 호출해서 락 획득을 시도한다.
  • Thread-2 : lock()을 호출해서 락 획득을 시도한다.
  • Thread-1 : while (! lock.compareAndSet(false, true)) 를 사용해서 락의 사용 여부를 확인하면서 변경을 시도한다.
    • lock.compareAndSet(false, true)
      • CAS 연산을 사용했다. lock 이 false 면 lock의 값을 true로 변경한다.
      • lock의 값이 false 이므로 true로 변경한다. 변경에 성공했기 때문에 true를 반환한다.
    • while (! true) while(false)가 되므로 while문을 빠져나온다.
    • 락 획득을 완료한다.
  • Thread-2 : while (! lock.compareAndSet(false, true)) 를 사용해서 락의 사용 여부를 확인하면서 변경을 시도한다.
    • lock.compareAndSet(false, true)
      • CAS 연산을 사용했다. lock 이 false 면 lock의 값을 true로 변경한다.
      • lock의 값이 true 이므로 값을 변경할 수 없다. 변경에 실패했기 때문에 false를 반환한다.
    • while (! false) -> while(true)가 되므로 while문을 시작한다.
    • 락 획득에 실패하고, 락을 획득할 때까지 while문을 반복한다.
      • 락 획득 실패 - 스핀 대기 로그가 반복해서 남는다.
  • Thread-1 : 비즈니스 로직을 수행하고 lock.set(false) 을 수행해서 락을 반납한다.
  • Thread-2 : 락을 획득하고 while문을 탈출한다. 비즈니스 로직을 수행한 다음에 락을 반납한다.

기존 코드와 비교

while(
	if (!lock) { //1. 락 사용 여부 확인
		lock = true; //2. 락의 값 변경 
    }
)

• 락 사용 여부 확인
• 락의 값 변경

CAS 연산 덕분에 원자적이지 않은 두 연산을 다음과 같이 하나의 원자적인 연산으로 바꿀 수 있었다.

while(lock.compareAndSet(false, true)) {}

•  락을 사용하지 않는다면 락의 값을 변경

원자적인 연산은 스레드 입장에서 쪼갤 수 없는 하나의 연산이다. 따라서 여러 스레드가 동시에 실행해도 안전하다. 이렇게 CAS를 사용해서 원자적인 연산을 만든 덕분에 무거운 동기화 작업 없이 아주 가벼운 락을 만들 수 있었다. 동기화 락을 사용하는 경우 스레드가 락을 획득하지 못하면 "BLOCKED" , "WAITING" 등으로 상태가 변한다. 그리고 또 대기 상태의 스레드를 깨워야 하는 무겁고 복잡한 과정이 추가로 들어간다. 따라서 성능이 상대적으로 느릴 수 있다.
반면에 CAS를 활용한 락 방식은 사실 락이 없다. 단순히 while문을 반복할 뿐이다. 따라서 대기하는 스레드도 "RUNNABLE" 상태를 유지하면서 가볍고 빠르게 작동할 수 있다.

 

CAS 단점

실행 코드 - 비지니스 로직이 길때(Sleep 1)

실행 결과

• 이 방식은 락을 기다리는 스레드가 "BLOCKED" , "WAITING" 상태로 빠지지는 않지만, "RUNNABLE" 상태로 락을 획득할 때 까지 while문을 반복하는 문제가 있다. 따라서 락을 기다리는 스레드가 CPU를 계속 사용하면서 대기하는 것이다!
• "BLOCKED" , "WAITING" 상태의 스레드는 CPU를 거의 사용하지 않지만, "RUNNABLE" 상태로 while문을 반복 실행하는 방식은 CPU 자원을 계속해서 사용하는 것이다.
• 동기화 락을 사용하면 "RUNNABLE" 상태의 스레드가 "BLOCKED" , "WAITING" 상태에서 다시 "RUNNABLE" 상태로 이동한다. 이 사이에 CPU 자원을 거의 사용하지 않을 수 있다.
• 그래서 동기화 락을 사용하는 방식보다 스레드를 "RUNNABLE"로 살려둔 상태에서 계속 락 획득을 반복 체크하는 것이 더 효율적인 경우에 이런 방식을 사용해야 한다. 이 방식은 스레드의 상태가 변경되지 않기 때문에 매우 빠르게 락을 획득하고, 또 바로 실행할 수 있는 장점이 있다.
• 안전한 임계 영역이 필요하지만, 연산이 길지 않고 매우 매우 매우! 짧게 끝날 때 사용해야 한다.
  • 예를 들어 숫자 값의 증가, 자료 구조의 데이터 추가와 같이 CPU 사이클이 금방 끝나는 연산에 사용하면 효과적이다.
  • 반면에 데이터베이스의 결과를 대기한다거나, 다른 서버의 요청을 기다린다거나 하는 것처럼 오래 기다리는 작업에 사용하면 CPU를 계속 사용하며 기다리는 최악의 결과가 나올 수도 있다.

스핀 락
스레드가 락이 해제되기를 기다리면서 반복문을 통해 계속해서 확인하는 모습이 마치 제자리에서 회전(spin)하는 것처럼 보인다. 그래서 이런 방식을 "스핀 락"이라고도 부른다. 그리고 이런 방식에서 스레드가 락을 획득할 때까지 대기하는 것을 스핀 대기(spin-wait) 또는 CPU 자원을 계속 사용하면서 바쁘게 대기한다고 해서 바쁜 대기(busy-wait)라 한다.
이런 스핀 락 방식은 아주 짧은 CPU 연산을 수행할 때 사용해야 효율적이다. 잘못 사용하면 오히려 CPU 자원을 더 많이 사용할 수 있다. 정리하면 "스핀 락"이라는 용어는, 락을 획득하기 위해 자원을 소모하면서 반복적으로 확인(스핀)하는 락 메커니즘을 의미한다. 그리고 이런 스핀 락은 CAS를 사용해서 구현할 수 있다.