TIL) Volatile 동시성의 가벼운 해결사

📌 2025-03-18 TIL

오늘의 학습 주제

• 자바에서 volatile 키워드는 어떤 목적으로 사용될까?

학습 개요

컴파일러나 프로세서, 하드웨어 레벨에서 프로그램을 실행할 때 최적화를 합니다.

최적화를 하는 방식 중에서 명령 재배치(reordering), 캐싱(caching)이 발생할 수 있습니다.

이때 개발자가 예측한 방식과 다르게 동작하여 예상하지 못한 공유자원의 상태가 다르게 보일 수 있습니다.

동일한 메모리 주소의 값을 사용하는 경우나 명령 재배치로 인해 예상하지 못한 값이 출력되는 것을 방지하기 위해 자바에서는 volatile 키워드를 제공합니다.

학습 목적

자바 백엔드 개발자가 volatile를 학습하는 이유는 메모리 가시성과 명령 재배치로 인한 동시성 문제를 이해할 수 있습니다.
또한 단일 쓰레드가 값을 쓰고 다중 쓰레드가 읽기만 하는 경우에는 성능 저하 없이 가시성을 보장하여 동시성을 관리할 수 있는 유용한 키워드입니다.

가시성이란

CPU는 작업을 빠르게 하기 위해서 쩌 ~ 멀리 있는 메모리 정보를 한번 읽고난 뒤 자기 뒷자리에 보관합니다.(캐시 메모리 1, 2, 3) 빠르게 연산할 때마다 메모리에 반영이 될 수도 있고 안될 수도 있기 때문에 여러 쓰레드를 여러 CPU에서 작업을 하고 공유자원에 대해 연산을 하는 경우 동시성 문제가 발생할 수 있습니다.

이것을 가시성 문제라고 하며 이 문제를 해결하기 위해서 volatile 는 소리를 지릅니다. 최신 정보 갱신 되었으니까 갱신하세요 !!

CPU는 자기 뒷자리가 아닌 쩌~ 멀리있는 메모리 책상에서 정보를 읽고 씁니다.

모든 동시성 문제는 해결하지 못한다.

여러 쓰레드가 동시에 쓰고 , 읽는 경우에는 volatile 키워드는 한계가 있습니다.

읽을 때 최신 정보를 읽게 할 뿐이지 이미 읽어간 정보를 다시 읽게 하는게 아니기 때문입니다.

동시에 여러 쓰레드가 최신 정보를 읽고 동시에 수정을 하게 된다면 race condition 이 발생할 수 있습니다.

다만 하나의 쓰레드가 쓰기만하고, 나머지 쓰레드는 읽기만 한다면 동시성 문제를 제어하는 여러 키워드보다 성능 저하없이 동시성 문제를 해결해줄 수 있습니다.

원자성 연산에는 한계가 있다.

읽고 쓰기까지 한꺼번에 해결해야하는 원자성은 해결할 수 없습니다.

상호배제 문제를 해결하지 않고 가시성 문제만 해결해주는 키워드이기 때문입니다.

원자성 연산이라는 것은 읽고 쓰는 두 개의 연산을 하나의 작업으로 처리하는 것을 말합니다.

volatile int counter = 0;
public void increment() {
    counter++; // 원자성 없음: race condition 발생 가능
}

재배치를 방지한다.

프로세서, 컴파일러, CPU는 연산의 속도를 높이기 위해서 코드의 순서를 임의로 변경합니다.

이때 volatile 키워드 기준으로 위 아래 코드가 순서가 변경되지 않도록 보장해줍니다

예를 들어,

int topNum = 10;
boolean topBoolean = false;
volatile String stand = "기준";
int bottomNum = 12;
boolean bottomBoolean = true;

stand를 기준으로 위에 변수와 아래 변수의 순서는 변경되지 않습니다.

다만, top끼리 bottom 끼리 재배치는 발생할 수 있습니다.

일관된 동작을 보장하려면

멀티 쓰레드 환경에서 일관된 동작을 보장하려면 두 가지가 필요합니다.

1. 상호배제 - 동시성 문제를 제어하며 동일한 자원에 접근할 경우 하나의 쓰레드만 읽기/쓰기만 가능하도록 보장합니다.
2. 가시성 - 한 스레드가 수정한 내용을 다른 쓰레드에서 즉시 확인이 가능합니다.

상호 배제를 할 때에 volatile 키워드는 동시성 문제를 제어하지는 못하며 가시성 문제를 해결한다는 것입니다.