[Java] volatile 키워드 - 변수의 가시성, 재정렬 방지

출처

ChatGPT

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volatile 키워드는 Java에서 변수의 가시성(visibility)를 보장하기 위해 사용된다. 멀티스레드 환경에서 여러 스레드가 같은 변수에 접근할 대, 각 스레드가 변수의 값을 메인 메모리에서 바로 읽고 쓰도록 보장하는 역할을 한다.

• 변수의 가시성 : 하나의 스레드가 변수의 값을 변경했을 때, 그 변경된 값을 다른 스레드에서 바로 볼 수 있는지의 여부. 가시성은 멀티스레드 프로그래밍에서 중요한 개념으로, 각 스레드가 변수의 최신 상태를 보장받을 수 있도록 하는 것을 말한다.
  • 자바의 변수 가시성 문제
    • 자바에서는 가가 스레드가 변수를 자신의 CPU 캐시 또는 레지스터에 저장하고, 여기에 저장된 값을 사용하기 때문에 여러 스레드가 같은 변수에 접근하더라도 다른 값을 볼 수 있는 상황이 발생할 수 있다. 이는 특히 멀티스레드 환경에서 다음과 같은 문제를 일으킬 수 있다.
    • 한 스레드가 특정 변수의 값을 변경했는데, 다른 스레드는 이 변경 사실을 모른 채 이전 값을 참조하는 경우가 발생할 수 있다.
    • 예를 들어, 스레드 A가 flag 값을 true로 변경했지만, 스레드 B는 여전히 flag의 이전 값이 false를 참조할 수 있다.

 

volatile 키워드의 의미와 역할

1. 변수의 가시성 보장

일반적으로 CPU 캐시를 사용해 변수를 저장하고 읽기 때문에, 다른 스레드에서 해당 변수의 변경 내용을 즉시 알지 못할 수 있다.

volatile로 선언된 변수는 메인 메모리에서 항상 최신 값을 읽고 쓰도록 보장되므로, 한 스레드가 값을 변경하면 다른 스레드에서도 즉시 변경된 값을 읽을 수 있다.

2. CPU 캐시 동기화

volatile은 모두 읽기 및 쓰기 연산을 메인 메모리에서 수행하게 해, 여러 스레드 간에 값의 일관성을 유지하도록 한다. 즉, 변수의 캐시화된 복사본을 사용하지 않고 메모리에 있는 값을 보장한다.

 

예시 : volatile 사용 예

public class SharedObject {
    private volatile boolean flag = false;

    public void setFlagTrue() {
        flag = true;
    }

    public void checkFlag() {
        while (!flag) {
            // 다른 스레드에서 flag가 true로 바뀌면 이 루프를 빠져나옵니다.
        }
        System.out.println("Flag is true");
    }
}

 

여기서 flag 변수를 volatile로 선언했기 때문에, 한 스레드가 flag 값을 true로 변경하면 다른 스레드도 즉시 이 변경 내용을 알 수 있다. 그렇지 않으면, 스레드가 flag 값의 캐시된 복사본을 사용하게 되어 while 루프를 빠져나오지 못할 수 있다.

 

재정렬 volatile의 역할

메모리 재정렬이란

컴파일러나 CPU는 성능 최적화를 위해 명령어 재정렬을 수행할 수 있다. 즉, 코드가 작성된 순서대로 명령어가 실행되지 않을 수 있다. 이는 CPU 파이프라인 최적화나 메모리 접근 속도 등을 개선하기 위해 일반적으로 허용된다.

 

재정렬은 프로그램의 단일 스레드 환경에서는 문제를 일으키지 않는다. 왜냐하면 컴파일러와 CPU는 재정렬 후에도 실행 결과가 동일하도록 보장하기 때문이다. 하지만, 멀티스레드 환경에서는 여러 스레드가 동시에 같은 자원에 접근할 수 있기 때문에, 재정렬이 예기치 않은 동작을 발생시킬 수 있다.

 

volatile의 역할 

 volatile 키워드는 명령어 재정렬을 방지해, 해당 변수에 대한 모든 쓰기 연산이 다른 스레드에서 정확하게 반영되도록 보장한다. 즉, volatile로 선언된 변수는 메모리 순서(barrier)를 제공하여 다음과 같은 조건을 만족하도록 한다.

• 객체를 할당하고 초기화하는 모든 과정이 끝난 후에 참조를 할당하도록 한다.
• 다른 스레드가 변수에 접근할 때 완전히 초기화된 상태를 보장받을 수 있도록 한다.