경쟁상태(Race Condition)
스프링부트 애플리케이션은 멀티 쓰레드로 동작한다. 멀티 쓰레드 환경에서 안전하게 다루어야 할 요소 중 하나는 바로 동시성 이슈이다. 동시성 이슈는 여러 쓰레드가 함께 다루는 데이터, 즉 공유 자원에 대해 발생한다. 이렇듯 공유 자원에 여러 쓰레드가 동시간대에 접근함으로인해 데이터 정합성 이슈가 발생할 수 있는 상황을 경쟁 상태(Race Condition) 이라고 한다. 이번 포스팅에선 경쟁 상태가 발생하는 전형적인 패턴 2가지인 Read-Modify-Write, Check-Then-Act 에 대해 학습해보도록 한다.
Read-Modify-Write
Read-Modify-Write 패턴이란 이전 상태를 기준으로 객체의 현재 상태를 변경하면서 발생하는 문제를 뜻한다. 코드로 이해해보자.
아이템 관리 서비스
아이템을 관리하는 서비스를 가정해보자. 컬렉션으로 아이템을 관리하며, 아이템 잔량을 관리하기 위한 간단히 count 변수를 만들었다. addItem() 을 호출하면 신규 아이템이 아이템 리스트에 추가되고, count 값이 1증가할 것이다. 여기서 count 변수는 여러 쓰레드가 동시에 접근 가능한 공유자원임을 알고 넘어가자.
public class ItemManager {
private List<Item> items = new ArrayList();
private int count;
public void addItem(Item item) {
items.add(item);
count++;
}
public List<Item> getItems() {
return items;
}
public int getCount() {
return count;
}
}이제 동시간대에 100명의 쓰레드가 아이템을 추가하기 위해 addItem() 을 호출한다고 해보자.
@Test
void 쓰레드_100개가_동시에_아이템을_추가한다() throws Exception {
ItemManager itemManager = new ItemManager();
Runnable runnable = () -> {
for(int i=0; i<100; i++) {
itemManager.add(new Item("신규 아이템"));
}
};
for(int i=0; i<100; i++) {
(new Thread(runnable)).start();
}
Thread.sleep(100000);
System.out.println(itemManager.getCount());
}위 코드가 실행되면 count 변수 결과값은 얼마일까? 단순하게 생각해본다면 100개의 쓰레드가 100번의 +1 연산을 수행하니, 결과값은 10000이 될 것으로 예상된다. 하지만, 실제 결과값은 기대와 달리 10000이 되지 못한다.
사실, 공유자원인 count 에 대한 count++ 연산 내부 동작은 아래와 같은 세부 동작이 발생한다.
(1)count 변수의 현재 값을 가져온다.(2)값을 수정한다. (값을 1증가시킨다)(3)수정한 값을 실제로 반영한다 (덮어씌운다)
쓰레드1과 쓰레드2가 있고, 현재 count 값은 100 이라고 가정해보자. 만약 쓰레드1이 (3) 번 까지의 과정 수행을 마치기 전에 쓰레드2 가 count 값을 읽어오면 어떻게 될까? 쓰레드 1이 아직 +1 증가시킨 연산을 아직 실제로 반영하지 못했기 떄문에, 쓰레드2는 반영하기 이전의 기존 값인 100을 읽어오게 된다. 결국 count 의 결과값은 102가 아닌 101이 되어서, 예기치못하게 데이터 정합성 이슈가 발생한다. 이는 원자성(atomic) 을 보장하지 못한 결과이다.
이와 같이 이전 상태를 기준으로 객체의 현재 상태를 변경하면서 발생하는 데이터 정합성 문제 를 Read-Modify-Write 패턴이라고 한다.
Check-Then-Act 패턴
Check-Then-Act 패턴은 이전에 검증(Check) 한 결과가 행동(Act) 을 취햐는 시점에는 더 이상 유효하지 않을 때 발생하는 문제를 뜻환다. 쉽게말해, if 조건문(Check) 를 통과하기 이전에는 조건에 부합하는 값이었지만, if 문을 통과한 이후에는 조건에 부합하지 않음으로 인해 데이터 정합성 문제가 발생하는 경우를 의미한다.
수강신청 관리 서비스
이번에는 수강신청 관리 서비스를 가정해보자. 최대 100명의 수강신청 인원을 수용할 수 있으며, 한 사람의 수강신청 정보는 Register 타입으로 관리된다. 또한 현재까지 수강신청한 인원을 관리하기 위해 count 변수를 선언했다. 앞선 예제와 다르게 count 값을 최대 100까지 만들 수 있다는점을 인지하자.
public class RegisterManager {
private static final int REGISTER_LIMIT = 100;
private List<Register> registers = new ArrayList();
private int count;
public void addRegister(Register register) {
if(count < REGISTER_LIMIT) {
registers.add(register);
count++;
}
}
public List<Register> getRegisters() {
return registers;
}
public int getCount() {
return count;
}
}만약 100개의 쓰레드로 addRegister() 를 호출한다면 어떻게 될까? 이번에는 과연 count 값이 100을 초과하지 않고 문제없이 실행될까? 아쉽게도, count 값은 최대 허용범위인 100을 훌쩍 초과하는 값이된다. if(count < 100) 으로 검증한 결과가 count++ 을 실행하는 시점엔 더 이상 유효하지 않기 떄문에 발생한 문제이다.
현재 count 값이 100 이고, 현재 쓰레드1 에서 아직 count++ 을 수행한 결과를 반영하지 못했는데, 그 사이에 다른 여러 쓰레드2,3,4들에서 if(count < 100) 조건을 검증하면 어떻게 될까? 신기하게도 조건문을 모두 통과해버리게 되고, 결국 수행되선 안될 count++ 이 여러번 수행된다.