📘[Java] 동시성 문제란?

동시성 문제가 뭘까?

동영상 강의를 듣던 중, 동시성 문제라는 것이 나왔다.
동시성 문제가 뭔지 몰라서 찾아보게 되었다.

동시성 문제란

동시성 문제란 여러 스레드가 동시에 같은 인스턴스의 필드 값을 “변경”하면서 발생하는 문제를 말한다.
이런 동시성 문제는 여러 스레드가 같은 인스턴스의 필드에 접근해야 하기 때문에 트래픽이 적은 상황에서는 확률상 잘 나타나지 않지만, 트래픽이 많아질 수록 발생 확률이 높아진다.
특히 스프링 빈 처럼 “싱글톤” 객체의 필드를 변경하며 사용할 때 이러한 동시성 문제를 조심하자!

참고
동시성 문제는 지역변수에서는 발생하지 않는다.
왜냐하면 지역변수는 스레드마다 각각 다른 메모리 영역이 할당되기 때문! 그리고 static같은 공용 필드에 접근할 때 발생할 수 있음.
하지만 동시성 문제는 값을 읽기만 하면발생하지 않고, 어디선가 값을 변경해야 발생한다!

예제코드

package hello.advanced.trace.threadlocal;

import hello.advanced.trace.threadlocal.code.FieldService;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.junit.jupiter.api.Test;

@Slf4j
public class FieldServiceTest {

    private FieldService fieldService = new FieldService();

    @Test
    void field() {
        log.info("main start");
        Runnable userA = () -> {
            fieldService.logic("userA");
        };
        Runnable userB = () -> {
            fieldService.logic("userB");
        };

        Thread threadA = new Thread(userA);
        threadA.setName("thread A");

        Thread threadB = new Thread(userB);
        threadB.setName("thread B");

        threadA.start();
//        sleep(2000);    // 동시성 문제 발생 x
        sleep(100);
        threadB.start();

        sleep(3000);    // 메인 스레드 종료 대기
        log.info("main exit");

    }

    private void sleep(int millis) {
        try {
            Thread.sleep(millis);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }

    }
}

sleep(2000);으로 하면 동시성 문제가 발생하지 않는다.
하지만 sleep(100);으로 하면 매우 짧은 시간 동안만 sleep을 하기 때문에 동시성 문제가 발생한다.

[결과]

00:51:26.619 [Test worker] INFO hello.advanced.trace.threadlocal.FieldServiceTest - main start
00:51:26.622 [thread A] INFO hello.advanced.trace.threadlocal.code.FieldService - 저장 name=userA --> nameStore=null
00:51:26.727 [thread B] INFO hello.advanced.trace.threadlocal.code.FieldService - 저장 name=userB --> nameStore=userA
00:51:27.628 [thread A] INFO hello.advanced.trace.threadlocal.code.FieldService - 조회 namrStore=userB
00:51:27.733 [thread B] INFO hello.advanced.trace.threadlocal.code.FieldService - 조회 namrStore=userB
00:51:29.733 [Test worker] INFO hello.advanced.trace.threadlocal.FieldServiceTest - main exit

원래는 nameStore에 userA가 들어가야 하는데, sleep시간이 매우 짧아 userA작업이 끝나기도 전에 userB가 치고 들어왔다.
그래서 nameStore에 있는 최신 값은 userB이고, userA의 작업이 완료되어 return을 받는데 nameStore에 들어있는 값은 userB라서 userA가 userB를 리턴받는 경우가 발생한다.

순서대로 정리

1. threadA는 userA를 nameStore에 저장.
2. threadB는 userB를 nameStore에 저장.
3. threadA는 userB를 nameStore에 조회.
4. threadB는 userB를 nameStore에 조회.

동시성 문제 해결 - ThreadLocal

ThreadLocal은 해당 쓰레드만 접근할 수 있는 특별한 저장소 를 의미한다.

쉽게 생각하면, 물건을 보관할 수 있는 창구를 생각할 수 있다.
여러 사람이 물건을 보관하게 되면, 직원이 사용자마다 물건을 보관할 수 있는 개별 보관함에 물건을 보관하고 꺼낸다.

스레드 로컬을 사용하면 각 스레드마다 별도의 내부 저장소를 제공하기 때문에, 같은 인스턴스의 스레드 로컬 필드에 접근해도 문제가 없다.

참고
자바에서는 언어 차원에서 스레드 로컬을 지원하기 위해 java.lang.ThreadLocal클래스를 제공함!

ThreadLocal 사용법

• 값 저장: ThreadLocal.set()
• 값 조회: ThreadLocal.get()
• 값 삭제: ThreadLocal.remove()

주의: 해당 스레드가 스레드 로컬을 모두 사용하고 나면 ThreadLocal.remove()를 호출해서 스레드 로컬에 저장된 값을 제거해주어야 함!

결과적으로!
스레드 로컬 덕분에 스레드 별로 별도의 저장공간을 갖게 되었다! -> 동시성 문제 해결!

ThreadLocal 주의사항

스레드 로컬의 값을 제거하지 않고 그냥 두면 WAS(톰캣)처럼 스레드 풀을 사용하는 경우에 심각한 문제가 발생할 수 있다.

[사용자A의 요청]

• 사용자 A가 저장 http요청을 보냄
• WAS는 스레드 풀에서 스레드를 하나 조회함
• 스레드 thread-A가 할당됨
• thread-A는 사용자 A의 정보를 스레드 로컬에 저장함
• 스레드 로컬의 thread-A 전용 저장소에 사용자 A의 정보를 저장함
  
  

[사용자A의 요청 종료]

• 사용자A의 HTTP 응답이 끝남
• WAS는 사용이 끝난 thread-A 를 쓰레드 풀에 반환한다. 쓰레드를 생성하는 비용은 비싸기 때문에 쓰레드를 제거하지 않고, 보통 쓰레드 풀을 통해서 쓰레드를 재사용함
• thread-A 는 쓰레드풀에 아직 살아있다. 따라서 쓰레드 로컬의 thread-A 전용 보관소에 사용자A 데이터도 함께 살아있게 된다.
  
  

[사용자B의 요청]

• 사용자B가 조회를 위한 새로운 HTTP 요청을 보냄
• WAS는 쓰레드 풀에서 쓰레드를 하나 조회함
• 쓰레드 thread-A 가 할당되었다. (물론 다른 쓰레드가 할당될 수 도 있다.)
• 이번에는 조회하는 요청이다. thread-A 는 쓰레드 로컬에서 데이터를 조회한다.
• 쓰레드 로컬은 thread-A 전용 보관소에 있는 사용자A 값을 반환한다.
• 결과적으로 사용자A 값이 반환된다.
• 사용자B는 사용자A의 정보를 조회하게 된다.
  
  

위처럼 보안적인 측면에서 심각한 문제가 발생할 수 있으므로, 사용자A의 요청이 끝날 때 반드시 ThreadLocal.remove()를 통해 꼭 제거해주자.