서버 개발자로 살아남기 - 멀티 쓰레드 환경에서 Singleton 초기화 - DCL(Double Checked Locking)

Singleton 패턴은 전체 중 하나의 인스턴스만 존재해야 한다. 싱글 쓰레드를 사용하는 경우에는 문제가 되지 않지만, 멀티 쓰레드 환경에서 Singleton에 접근 시 초기화 관련해서 문제가 있다.

 

아래코드는 단순하게 구현한 멀티쓰레드 환경에서의 Singleton 초기화 방법이다.

class Foo {
    private Singleton instance;
    public Singleton getInstance() {
        if(Objects.isNull(instance)) {
            instance = new Singleton();
        }
        return Singleton;
    }
}

위 코드는 멀티쓰레드 환경에 적합하지 않다. 쓰레드가 getInstance()에 동시에 접근하면 여러번 초기화 되는 문제가 발생하기 때문이다.(상호배제)

 

상호배제 문제를 해결하려면 자바의 모니터(synchronized)를 사용하면 된다.

https://code-killer.tistory.com/141

java에서 모니터 사용하기 - synchronized

// Correct but possibly expensive multithreaded version
class Foo {
    private Singleton instance;
    public synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

    // other functions and members...
}

위 코드는 synchronized를 메서드에 결합함으로서 한개의 쓰레드만 실행할 수 있도록 설정하였다. 그러나 메서드 수준에서 synchronized가 걸리기 때문에 모든 코드에서 동기화를 수행한다. 이렇기 때문에 부하가 높아지고, 성능이 낮아진다.

 

그래서 위 코드를 최적화 하기 위해 많은 변형이 있었고, 결과적으로 인스턴스가 생성되었는지 검사하여 동기화 블록에 들어가지 않는 방법이 소개되었다. 이 방법이 DCL(Double Checked Locking) 이다.

class Foo {
    private Singleton instance;
    public Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (this) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    // other functions and members...
}

먼저 변수가 null인지 확인 후, null이 아니면 바로 return 한다. null일 경우에는 synchronized에 들어가 Lock 상태가 된다. 이후 다시 변수가 초기화 되었는지 확인하고, null 이면 초기화를 진행한다.

 

이로서 싱글턴 패턴을 DCL로 구현하는 것이 최적화 된 단계라 생각 할 수도 있지만 이 또한 문제가 발생할 수 있다.

 

쓰레드 A,B가 있다고 가정해보자.

 

쓰레드 A는 null 임으로 Lock 후 초기화를 진행한다. 이후 synchronized을 빠져나오고, B가 들어가지만 인스턴스는 쓰레드 A에 의해 초기화 됐음으로 빠져나온다. 이 경우가 일반적인 상황이다.

 

그러나 일반적인 상황만 있는 것이 아니기 때문에 문제가 있을 수도 있다.

 

만약 쓰레드 A에 의해서 수행된 초기화 작업이 끝나기 전이나, 초기화 값 중 일부가 아직 메모리 버스에 있는 중 일때(코드는 컴파일러를 거치면서 순차적으로 실행되지 않고, 재배치가 이뤄져 최적화 과정이 진행됨), 쓰레드 B에서 getInstance을 사용한다면 프로그램이 충돌할 가능성이 있다.

 

이 때문에 현재 자바에서는 volatile 라는 Keyword를 사용하여 문제를 해결한다.

class Foo {
    private volatile Singleton instance;
    public Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (this) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    // other functions and members...
}

이렇게 된다면, volatile을 사용하였기 때문에 메인 메모리에 즉시 로딩 되기 때문에 문제가 해결된다.

REFERENCE

Multi Thread 환경에서의 올바른 Singleton - https://medium.com/@joongwon/multi-thread-%ED%99%98%EA%B2%BD%EC%97%90%EC%84%9C%EC%9D%98-%EC%98%AC%EB%B0%94%EB%A5%B8-singleton-578d9511fd42

Multi Thread 환경에서의 올바른 Singleton

DCL 위키 - https://en.wikipedia.org/wiki/Double-checked_locking#Usage_in_Java

Double-checked locking - Wikipedia