강의 메모 - Monitor - 모니터 -1,2 #
개요 #
- 자바가 동기화를 지원하기 위해 사용하는 메커니즘은 모니터(Monitor) 이며 뮤텍스나 세마포어보다 더 고수준의 동기화 기법이다
- 뮤텍스, 세마포어를 좀더 추상화한것
- 모든 자바 객체는 기본적으로 모니터를 가지며 여러 스레드가 객체의 임계 영역(critical section)에 진입하려고 할 때 JVM 은 모니터를 사용하여 스레드 간 동기화를 제공한다
- 자바의 모니터는 상호 배제(Mutual Exclusion) 및 협력(Cooperation)이라는 두 가지 동기화 기능을 제공하고 있으며 이를 위해 뮤텍스와 조건변수(Condition Variable)를 사용한다
상호배제 (Mutual Exclusion) #
- 객체가 가지고 있는 모니터 Lock 을 통해 여러 스레드가 동시에 공유 자원에 접근하는 것을 막아 데이터의 일관성과 안전성을 보장하는 메커니즘이다
- JVM 은 ‘synchronized’ 키워드를 이용하여 뮤텍스 동기화를 암묵적으로 처리해 주고 있으며 synchronized 는 메서드나 코드 블록에 적용할 수 있다.
- 내부적으로 보이지않게 처리
- synchrnozied 키워드 안에서 내부적으로 처리하는것
- synchronized (동기화)
- synchronized 블록은 해당 객체의 모니터를 획득 할 수 있으며 모니터를 획득한 스레드만이 임계영역에 접근 가능하고 그 외 다른 스레드들은 차단되어 대기 상태가 된다
- synchronized 블록을 빠져 나오면 모니터 Lock 이 해제되고 대기 중인 다른 스레드 중 하나가 락을 얻고 임계 영역에 진입하여 작업을 수행하는 식으로 상호배제가 보장된다
협력 (Cooperation) #
- 협력은 모니터의 Condition Variable (조건 변수) 를 통해 스레드 간 공동의 목표를 위해 상호협력으로 데이터의 일관성과 안전성을 보장하는 동기화 메커니즘이다
- Condition Variable (조건변수)
- 조건변수는 Object 클래스의 메소드인 wait(), notify(), notifyAll()과 함께 작용하며 특정 조건이 만족될 때까지 스레드를 대기시키는 기능을 제공한다
- 스레드가 특정 조건에 부합하지 않을 때 wait() 메소드를 호출하면 조건변수의 대기 셋(Wait Set)에 들어가 대기한다
- 다른 스레드가 특정 조건을 만족해서 notify() 또는 notifyAll() 메소드를 호출하면 해당 조건변수의 대기셋으로부터 스레드들을 깨워 실행시키게 된다.
- 조건변수를 통해 스레드 간 대기와 통지를 서로 조절하면서 경쟁 조건(race condition)과 같은 문제를 방지할 수 있다.
- 모니터 내부에는 여러개의 조건 변수를 가질 수 있지만 자바의 모니터에는 오직 한 개의 조건 변수만 가질 수 있다
- t1이 대기하고있고, t2가 t1을 notify 할때의 실행영역의 조건 변수가 있고, 다른 t3은 조건변수가 또 있겠고, 조건 변수가 많아져서 선택될수록 구분해서 사용할 수 있겠지만, 모니터에는 1개의 조건 변수의 대기 큐에 다 들어가게된다. 그래서 일단 모든 쓰레드를 깨우고 실행영역을 수행하는 쓰레드가 있다.
모니터 대기 세트 구조 #
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자바의 모니터 내부에는 EntrySet(진입셋) 과 WaitSet(대기셋) 이라는 대기 자료 구조가 있으며 이들은 멀티스레드 환경에서 스레드들 간의 상호작용을 조절하는 데 사용된다
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Entry Set
- Entry Set 은 모니터의 Lock 을 획득하기 위해 대기 중인 스레드들을 모아 놓은 자료 구조로서 스레드가 Lock 을 사용 중인 경우 그외 다른 스레드는 Entry Set 에 들어가게 된다
- Entry Set 에 있는 스레드들은 Lock 이 반납될 때까지 기다리며 락이 반납되면 Entry Set 중 하나의 스레드가 락을 획득하고 임계 영역으로 진입하게 된다
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Wait Set
- Wait Set 은 모니터의 조건 변수(Condition variable)와 함께 사용하는 자료구조이며 스레드들이 특정한 조건이 만족할 때 까지 대기하고 있는 장소이다
- 스레드는 Wait Set 에 들어가 대기할 때 Lock 을 해제한다. 그리고 다른 스레드에 의해 깨어나게 되면 Entry Set 으로 이동해서 다시 Lock 을 획득 할 수 있다
- 누군가가 깨워줘야한다.
조건 변수 종류 #
- 조건변수를 통해 상호 협력하고 있는 두 스레드가 wait() 과 notify() 메서드 실행 후에 하나의 모니터를 두고 두 스레드 모두 소유가 가능한 상황이 발생한다
- 하나는 대기중인 스레드, 하나는 깨우는 스레드로서 어떤 스레드가 모니터를 먼저 소유할 것인가에 따라 두 종류의 조건변수로 나눌 수 있는데 Signal and Wait 와 Signal and Continue 이다
Signal and Wait #
- 현재 모니터를 소유하고 있는 스레드가 wait() 을 실행하면 모니터 내부에서 자신을 일시 중단하고 Lock 을 해제한 후 Wait Set 에 들어간다
- 깨우는 스레드가 notify() or notifyAll() 명령을 실행하면 Wait Set 에 있는 대기 스레드 중 하나 또는 모든 스레드를 깨우고 깨우는 스레드는 Lock 을 해제하고 대기한다
- 대기에서 깨어난 스레드가 Lock 을 획득한 후 모든 작업을 마치고 Lock 을 해제하면 깨운 스레드가 Lock 을 획득한 후 계속 작업을 진행한다
- 대기 스레드와 깨운 스레드 사이에 다른 스레드가 모니터를 소유할 수 없도록 원자적 실행이 보장되어야 한다
- 깨운 스레드가 락을 반납하고 대기하고있고, 대기 스레드가 수행 이후 깨운 스레드가 다시 락을 얻는다. 이 사이에 락을 다른 스레드가 가져갈 수 없다는것
Signal and Continue #
- 현재 모니터를 소유하고 있는 스레드가 wait() 을 실행하면 모니터 내부에서 자신을 일시 중단하고 Lock 을 해제한 후 Wait Set 에 들어간다
- 깨우는 스레드가 notify() or notifyAll() 명령을 실행하면 Wait Set 에 있는 대기 스레드 중 하나 또는 모든 스레드를 깨운다. 이때 일어난 스레드들은 Entry Set 으로 이동한다
- 깨우는 스레드는 Lock 을 계속 유지하면서 모든 작업을 완료하고 Lock 을 해제하면 Entry Set 에 대기하고 있는 모든 스레드가 Lock 을 획득하기 위해 경쟁한다
- 자바에서는 이 조건 변수 형식을 취하고있다
자바 모니터 동작 구조 #
- 스레드가 모니터 영역에 진입하기 위해 synchronized 메서드를 호출하면 모니터가 작동한다
- 스레드는 모니터 영역 진입을 위해 Entry Set 에 입장해서 모니터 Lock 을 획득하기 위해 시도한다
- Entry Set 에서 이미 대기하고 있거나 현재 모니터를 소유한 스레드가 없으면 즉시 모니터의 소유자 되어 모니터 영역에 진입한다
- 만약 다른 스레드가 이미 모니터를 소유한 상태이면 모니터 영역에 진입하지 못하고 Entry Set 으로 들어가 대기한다
- Wait Set 에서 대기하는 스레드는 모니터 스레드가 모니터를 해제할 때 까지 계속 대기 상태를 유지한다
- 모니터 스레드가 모니터를 해제할 수 있는 경우는 두 가지인데 실행 중인 모니터 영역을 완료하거나 wait 명령을 실행하는 것이다 (해당 스레드는 lock을 갖고있겠다)
- 모니터 스레드가 어떤 조건에 부합하지 않아서 wait() 를 실행하면 모니터가 해제되고 Wait Set 에 들어가 대기한다 (락 반납)
- 이 때 다른 스레드가 모니터를 소유한 상태에서 만약 notify 를 실행하지 않고 그냥 종료하는 경우 Wait Set 의 스레드가 깨어나지 않기 때문에 Entry Set 의 스레드만 모니터를 두고 경쟁하게 된다
- 만약 모니터 스레드가 notify 를 실행하게 되면 Wait Set 에서 대기하고 있는 모든 스레드를 깨운다
- 깨어난 스레드는 모두 Entry Set 으로 이동하게 된다. 하지만 스레드가 깨어나는 즉시 모니터를 소유하는 것이 아니다
- 모니터 스레드는 모니터를 계속 소유한 상태에서 모니터 영역을 실행하고 종료한다
- 이 때 Entry Set 과 Wait Set 에서 이동한 모든 스레드가 모니터를 두고 경쟁하게 되는데 만약 조건 변수 대기에서 깨어난 스레드 중에서 모니터를 소유했는데 그 시점에 또 조건이 맞지 않으면 다시 wait 를 실행하고 대기 상태로 들어갈 수 있다
- Entry Set 과 Wait Set 에서 다음 스레드를 선택하는 기준은 오직 스케줄러에 의해 결정된다
모니터 구현 #
※ 일반적으로 모니터는 조건 변수를 여러개 가질 수 있으나 자바에서는 모니터당 오직 한개의 조건 변수를 가질 수 있다
(Lock 동기화 클래스에서 이 부분을 개선함)