[Java] Fail-fast 메커니즘

출처

ChatGPT

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Fail-fast 메커니즘은 자바의 컬렉션 프레임워크에서 사용되는 중요한 개념으로, 컬렉션이 반복되는 동안 구조적으로 변경되는 즉시 오류를 발생시키는 방식이다. 이 메커니즘은 반복 중에 예기치 않은 데이터 변조나 일관성 문제를 방지하기 위해 설계되었다.

 

1. Fail-fast 메커니즘의 작동 원리

자바의 Iterator는 컬렉션의 요소를 순회할 때, 컬렉션의 구조가 변경되는지 여부를 감시한다. 구조적 변경이란 요소의 추가, 삭제 또는 컬렉션의 크기에 영향을 미치는 작업을 말한다. 만약 컬렉션이 구조적으로 변경되면, Iterator는 ConcurrentModificationException 예외를 던져 순회를 즉시 중단한다.

 

컬렉션이 변경되었는지 확인하기 위해, 자바의 컬렉션 클래스들은 모디파이 카운트(modCount)라느 변수를 사용한다. 이 변수는 컬렉션의 크기가 변경될ㄹ 때마다 증가한다.

• Iterator는 컬렉션을 생성할 때 modCount 값을 기억한다.
• 순회가 진행되는 동안 modCount가 변경되면, 이는 컬렉션이 외부에서 수정되었음을 의미한다.
• 이때 Iterator는 ConcurrentModificationException을 발생시킨다.

 

2. Fail-fast 메커니즘의 예시

다음은 ArrayList에서 fail-fast 메커니즘이 작동하는 예시이다.

import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;

public class FailFastExample {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("apple");
        list.add("banana");
        list.add("cherry");

        // Iterator를 사용하여 리스트를 순회
        Iterator<String> iterator = list.iterator();
        
        while (iterator.hasNext()) {
            String fruit = iterator.next();
            System.out.println(fruit);

            // 반복 중에 리스트에서 요소를 직접 삭제 (비추천)
            if (fruit.equals("banana")) {
                list.remove(fruit);  // ConcurrentModificationException 발생
            }
        }
    }
}

 

출력 결과

apple
banana
Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException

 

3. 왜 fail-fast가 필요한가?

1. 데이터 일관성 보장

순회 중에 컬렉션의 구조가 변경되면, 그 상태에서 추가적인 순회가 이루어질 경우 데이터의 일관성이 깨질 수 있다. 예를 들어, 리스트에서 요소가 삭제되면 인덱스가 이동하여 반복자의 순회가 꼬일 수 있다. 이를 방지하기 위해 Iterator는 순회 중에 구조적인 변경을 감지하고 예외를 던진다.

2. 버그 예방

fail-fast는 잠재적인 버그를 빨리 발견하고 처리할 수 있게 도와준다. 예외를 발생시켜 즉시 문제를 알리고, 컬렉션을 잘못된 상태로 남겨두는 것을 방지한다.

 

4. Fail-fast의 한계

• fail-fast는 스레드 안정성(Thread Safety)을 보장하지 않는다. 즉, 여러 스레드가 동시에 같은 컬렉션을 수정하면 ConcuurrentModificationException이 발생할 수 있지만, 그 자체로 스레드 간의 충돌을 완전히 해결하지는 않는다.
• 비동기 환경에서는 fail-fast가 완벽한 해결책이 아니며, 대신 동기화된 컬렉션(Synchronized Collection) 또는 java.util.concurrent 패키지의 동시성 컬렉션을 사용하는 것이 좋다. 예를 들어, CopyOnWirteArrayList와 같은 컬렉션들은 안전한 순회를 제공한다.

 

5. Fail-fast를 피하는 방법

ConcurrentModifcationException을 피하기 위해서는 Iterator의 remove() 메소드를 사용해 안전하게 요소를 제거해야 한다. 다음은 올바른 예이다.

import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;

public class FailFastFixedExample {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("apple");
        list.add("banana");
        list.add("cherry");

        // Iterator를 사용하여 리스트를 순회
        Iterator<String> iterator = list.iterator();
        
        while (iterator.hasNext()) {
            String fruit = iterator.next();
            System.out.println(fruit);

            // Iterator의 remove() 메서드를 사용하여 안전하게 요소 삭제
            if (fruit.equals("banana")) {
                iterator.remove();
            }
        }

        System.out.println("List after removal: " + list);
    }
}

 

출력 결과

apple
banana
cherry
List after removal: [apple, cherry]

 

이 코드에서는 Iterator의 remove() 메소드를 사용해 안전하게 "banana" 요소를 제거할 수 있다. 이 경우 ConcurrentModificationException이 발생하지 않는다.

 

6. Fail-safe 컬렉션

Fail-safe 컬렉션은 fail-fast와 반대되는 개념으로, 반복 중에 컬렉션이 수정되더라도 예외를 던지지 않고 안전하게 동작하는 컬렉션이다. 자바의 동시성 컬렉션(concurrent collections)이 대표적인 예로, CopyOnWriteArrayList, ConcurrentHashMap 등은 컬렉션을 안전하게 수정할 수 있다.

 

예를 들어, CopyOnWirteArrayList는 리스트를 수정할 때마다 새로운 복사본을 생성해 안전하게 순회를 지원한다.

import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
import java.util.Iterator;

public class FailSafeExample {
    public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
        list.add("apple");
        list.add("banana");
        list.add("cherry");

        Iterator<String> iterator = list.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            String fruit = iterator.next();
            System.out.println(fruit);

            // 순회 중에 리스트에서 안전하게 요소를 추가
            if (fruit.equals("banana")) {
                list.add("orange");  // 예외 발생하지 않음
            }
        }

        System.out.println("List after modification: " + list);
    }
}

 

출력 결과

apple
banana
cherry
List after modification: [apple, banana, cherry, orange]

 

CopyOnWirteArrayList는 순회 중에도 안전하게 컬렉션을 수정할 수 있다. 요소가 추가되었음에도 불구하고 예외가 발생하지 않는다.

 

결론

Fail-fast 메커니즘은 자바의 컬렉션에서 구조적 변경을 감지하고, 변경이 발생하면 즉시 ConcurrentModificationException을 던져 문제를 빠르게 알리는 방식이다. 이는 데이터 일관성을 유지하고, 코드의 버그를 조기에 발견할 수 있도록 도와준다. 하지만 멀티스레드 환경에서는 fail-fast 메커니즘이 완벽하지 않으므로, 동시성 컬렉션을 사용하거나 적절한 동기화가 필요하다.