Java에서 등장하는 volatile 키워드를 컴퓨터 동작 구조와 함께 이해해보는 시간을 가져보겠습니다.
volatile 이란?
가장 먼저 volatile을 왜 사용하는지 먼저 알아볼까요?
- 멀티쓰레딩 환경에서 변수 값의 일관성을 보장하기 위해 사용한다.
- volatile이 적용된 변수의 값을 쓰레드 A에서 변경했을 때, 다른 쓰레드도 즉시 그 변경 값을 읽을 수 있게 된다.
여기서 우리는 ‘멀티쓰레딩 환경에서 변수 값의 일관성이 보장되지 않을 수 있다!’라는 것을 알아차려야 합니다.
멀티쓰레딩 환경에서의 변수 값 일관성
만약 여러 쓰레드가 동일한 변수에 접근하여 R/W 작업을 한다면, 각 쓰레드는 서로 다른 값을 인식할 가능성이 높습니다.
아래 코드를 볼까요?
public class Main {
static boolean flag = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Runnable runnable = () -> {
boolean b = false;
while (flag) {
b = !b;
}
};
Thread threadA = new Thread(runnable);
threadA.start();
ThreadA.sleep(1); //바로 쓰레드 A 실행
flag = false;
threadA.join(); //쓰레드 A가 끝날 때까지 기다림
System.out.println("All process is done!");
}
}
해당 코드를 실행시켰을 때, 어떤 결과가 예상되시나요?
우리의 동작 의도는 아래와 같습니다.
- 메인 쓰레드가
main 메서드를 실행시킨다. - 새로운 쓰레드
threadA를 생성한다. - 메인 쓰레드가 1ms 동안 sleep 하므로, 바로 쓰레드
threadA가 실행된다. - 쓰레드
threadA에 의해 while 문을 반복한다. - 1ms 가 지난 후 메인 쓰레드가
flag변수의 값을 false로 변경한다. - 쓰레드
threadA는flag변수의 값이 false임을 확인해 while 문을 탈출하고 종료된다. - 메인 쓰레드가 종료된다.
하지만 직접 실행시켜보신 분은 아시겠지만, 쓰레드 threadA 가 종료되지 않고 while문을 무한히 반복하는 것을 알 수 있습니다.
즉, 메인 쓰레드에서 변경한 flag 변수의 값을 쓰레드 threadA 가 알아차리지 못했다는 것이죠.
그 이유는 아래와 같습니다.
컴퓨터 캐시 구조
위 그림을 보면 각 CPU 코어가 서로 다른 Cache를 사용하고 있는 것을 알 수 있습니다.
그리고 바로 이 부분 때문에, 변수 값의 일관성이 깨지는 것이죠.
다시 코드를 가지고 와볼까요?
public class Main {
static boolean flag = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Runnable runnable = () -> {
boolean b = false;
while (flag) {
b = !b;
}
};
Thread threadA = new Thread(runnable);
threadA.start();
ThreadA.sleep(1); //바로 쓰레드 A 실행
flag = false;
threadA.join(); //쓰레드 A가 끝날 때까지 기다림
System.out.println("All process is done!");
}
}
이 경우 각 쓰레드는 아래처럼 동작하게 됩니다.
-
flag변수 초기화
-
쓰레드
threadA실행
-
메인 메모리로부터 가져온
flag변수의 값 true를 Cache에 저장한 뒤, 코드를 실행합니다. -
Cache에 저장된
flag변수의 값이 true이므로, while 문을 계속 반복합니다.
-
-
메인 쓰레드가
flag변수 업데이트
-
메인 쓰레드가
flag변수를 false로 업데이트 합니다. -
여기서 중요한 것은 쓰레드
threadA(CPU Core B)에 캐싱된flag값은 여전히 true라는 것입니다. -
이 때문에
threadA는 여전히 while 문을 벗어나지 못합니다.
-
이 문제를 해결하는 방법에는 크게 두 가지가 있습니다.
- 매 while 반복마다, Cache를 Flush하는 방법
- Cache를 무시하고, 바로 Main Memory에서 데이터를 읽어오는 방법 (volatile)
각 방법에 대해 좀 더 자세히 알아볼까요?
매 while 반복마다, Cache를 Flush하는 방법
이번에는 코드를 아래처럼 수정해봅시다.
public class Main {
static boolean flag = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Runnable runnable = () -> {
while (flag) {
System.out.println("Print to console!"); //변경사항
}
};
Thread thread = new Thread(runnable);
thread.start();
Thread.sleep(1);
flag = false;
thread.join();
}
}
위 코드를 실행해보면, while문이 무한 반복하지 않고 정상적으로 종료됩니다.
변경된 것은 b = !b 라는 계산 대신, println 메서드를 호출한 것 밖에 없는데 말이죠.
그 이유는 콘솔 출력 등의 I/O 작업 같은 시스템 API 호출 시, Cache가 Flush 되기 때문입니다.
이를 그림으로 다시 표현해보면 아래와 같습니다.
-
변수
flag초기화
-
쓰레드
threadA실행
-
쓰레드
threadA에서System.out.println()(시스템 API) 호출
- 시스템 API를 호출함으로써 Cache가 Flush 되었습니다.
-
메인 쓰레드가
flag변수 업데이트
-
쓰레드
threadA의 다음 반복문 수행 (Cache Miss)
-
쓰레드
threadA의 캐시가 Flush 되었으므로, 메인 메모리에서flag변수의 값을 가져옵니다. -
이를 통해, 업데이트된 최신 값을 확인할 수 있고, while문이 종료됩니다.
-
이를 통해, 변수의 일관성이 깨지는 문제를 해결할 수 있습니다.
그렇다면 변수의 최신 값이 필요할 때마다 항상 시스템 API를 호출해야 할까요?
바로 이때, volatile을 사용하면 됩니다.
바로 Main Memory에서 데이터를 읽어오는 방법 (volatile)
이번에는 코드를 아래처럼 수정해봅시다.
public class Main {
static volatile boolean flag = true; //volatile 키워드 사용
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Runnable runnable = () -> {
boolean b = false;
while (flag) {
b = !b; //기존 연산 (시스템 API 호출 X)
}
};
Thread thread = new Thread(runnable);
thread.start();
Thread.sleep(1);
flag = false;
thread.join();
}
}
해당 코드를 실행해보면, 쓰레드 threadA 가 무한 루프를 돌던 문제를 정상적으로 해결하게 되었음을 확인할 수 있습니다.
volatile 변수는 항상 그 값을 메인 메모리에서 Read하게 됩니다. 따라서 최신 값을 언제나 유지할 수 있는 것이죠.
이와 관련된 절차는 그림으로 표현하지 않더라도, 이해하실 수 있을 것입니다.
마치며
이번 글에서 volatile이 무엇이고, 그 속에 있는 원리까지 살펴봤습니다.
volatile은 언제나 변수의 최신 값을 가져올 수 있다는 장점이 있지만, CPU의 Cache를 사용하지 못하는 만큼 성능적인 측면에서 비교적 불리합니다.
따라서 꼭 최신 값을 읽어야하는 경우에만 사용하셔야 한다는 점을 강조하고, 글을 마치겠습니다.
혹시 글에 오류가 있다면, 댓글 남겨주세요. 감사합니다.