ThreadSafe 1
Thread Safe
사전적 정의
thread-safe에 대해 wikipedia에서는 다음과 같이 정의하고 있다.
스레드 안전(thread 安全, 영어: thread safety)은 멀티 스레드 프로그래밍에서 일반적으로 어떤 함수나 변수, 혹은 객체가 여러 스레드로부터 동시에 접근이 이루어져도 프로그램의 실행에 문제가 없음을 뜻한다. 보다 엄밀하게는 하나의 함수가 한 스레드로부터 호출되어 실행 중일 때, 다른 스레드가 그 함수를 호출하여 동시에 함께 실행되더라도 각 스레드에서의 함수의 수행 결과가 올바로 나오는 것으로 정의한다.
Thread safety is a computer programming concept applicable to multi-threaded code. Thread-safe code only manipulates shared data structures in a manner that ensures that all threads behave properly and fulfill their design specifications without unintended interaction. There are various strategies for making thread-safe data structures.
그래서 만약, “그래서 이 코드는 thread safe한거야?” 라고 질문하는 것은 “그래서 이 코드는 특정 상황에서 문제없이 동작하는거야?” 라는 질문이 되는 것이다. (특정 상황이란 동일 자원에 여러 개의 스레드가 접근하는 상황) 그래서, 이 코드가 문제없다는 것을 어떻게 결정할까? 이것에 대한 직접적인 해답은 지금까지 본 정의에서는 나와있지 않다.
How to achieve thread-safety
내 주력 언어가 Java이니 Java에서 일반적으로 thread-safe한 코드를 작성할 지 간단하게 정리해보았다.
1. Stateless Implementation
multithreaded application에서 일어나는 에러들 중 대부분은 thread 간에 자원 공유 상태를 올바르게 다루지 않아 발생하게 된다. 그러므로, stateless한 구현을 우선적으로 고려할 필요가 있다.
예를 들어, 주어진 숫자의 차수를 갖는 factorial을 계산하는 정적메소드가 있다고 하자.
public class MathUtils {
public static BigInteger factorial(int number) {
BigInteger f = new BigInteger("1");
for (int i = 2; i <= number; i++) {
f = f.multiply(BigInteger.valueOf(i));
}
return f;
}
}
factorial 메소드는 상태가 없고 결정론적인 함수이다.(참고 : 결정론적 알고리즘 - 예측한 그대로 동작하는 알고리즘) 특정 input에 대해 항상 동일한 결과를 출력한다.
이 메소드는 외부상태에 의존하지도 않고, 상태를 유지하지도 않는다. 따라서 이 메소드는 thread-safe이고, 여러 개의 thread에서 동시에 사용이 가능하다.
2. Immutable Implementations
만약 스레드 간 상태를 공유해야 한다고 하면, immtable한 클래스를 만들어 thread-safe를 만족시킬 수 있다.
Immutability(불변성)은 강력하고, 언어에 구애받지 않는 개념이며 Java에서 꽤 쉽게 구현이 가능하다.
간단하게 생각하자면, 인스턴스는 생성 후에 그것의 내부 멤버가 변경이 불가능하다면 immutable하다고 할 수 있다.
public class MessageService{
private final String message;
public MessageService(String message){
this.message = message;
}
// getter, 메소드 등.
}
위와 같이 setter를 제공하지 않는 클래스를 만들면 MessageService객체는 불변성을 갖게되고 thread-safe하게 사용이 가능하다.
3. Thread-Local Fields
OOP에서 객체들은 사실 멤버변수를 통해 상태를 유지할 필요가 있으며, 하나 이상의 메소드를 통해 동작한다.
만약 상태를 진짜로 유지할 필요가 있다면, thread-local 필드를 만들어 스레드 간 상태를 공유하지 않는 thread-safe한 클래스를 만들 수 있다.
Thread 클래스를 상속받아 private 필드를 선언하는 것 만으로도 thread-local 필드를 만들 수 있다.
public class ThreadA extends Thread {
// thread-local field
private final List<Integer> numbers = Arrays.asList(1,2,3,4,5,6);
@Override
public void run() {
numbers.forEach(System.out::println);
}
}
public class ThreadB extends Thread {
// thread-local field
private final List<Integer> letters = Arrays.asList("a", "b", "c", "d", "e", "f");
@Override
public void run() {
letters.forEach(System.out::println);
}
}
위 두 개의 클래스는 각자 ‘상태’를 가지고 있지만, 다른 스레드와 상태를 공유하지 않는다. 그러므로, thread-safe하다고 할 수 있다.
비슷하게 ThreadLocal 객체를 필드에 넣어 thread-local 필드를 만들 수 있다.
public class StateHolder {
private final String state;
public StateHolder(String state){
this.state = state;
}
// getter, 메소드들
}
public class ThreadState {
public static final ThreadLocal<StateHolder> statePerThread = new ThreadLocal<StateHolder>() {
@Override
protected StateHolder initialValue() {
return new StateHolder("active");
}
};
// ThreadLocal 클래스의 사용법은 찾아볼 것.
public static StateHolder getState(){
return statePerThread.get();
}
}
Thread-local 필드는 getter와 setter를 통해 각 스레드가 독립적으로 초기화된 필드의 복사본을 얻어 자체적으로 상태를 갖는다는 점을 제외하면 일반 클래스의 필드와 비슷하다.