강의 메모 - ReentrantLock #

개요 #

• ReadWriteLock 은 읽기 작업과 쓰기 작업을 위해 연관된 두 개의 락(읽기 락, 쓰기 락)을 유지하는 인터페이스이다
• 일반적으로 락은 데이터를 조작하는 하나의 스레드의 임계영역을 보호하는 장치이며 데이터를 읽는 작업만 실행되는 영역은 여러 스레드가 동시에 접근해도 동시성 문제가 발생하지 않는다
• 읽기 작업이 많고 쓰기 작업이 적은 영역을 효율적으로 처리하기 위해 다수의 읽기와 하나의 쓰기를 읽기락과 쓰기락으로 구분해서 락을 운용하는 것이 필요하다

특징 #

• 성능 개선

  • 읽기 락과 쓰기 락의 조합은 상호 배타적인 락을 사용하는 것보다 데이터에 대한 동시 액세스를 허용하므로 동시성이 높아진다
    • CPU가 동시에 많은 일을 할 수 있음
  • 특히 읽기 작업이 더 빈번한 경우에 효과적이며 읽기 락의 경우 여러 스레드가 동시에 데이터를 읽을 수 있고 쓰기 락의 경우 하나의 스레드만 데이터를 수정할 수 있다
    • 읽기 락을 사용하는게 더 효과적, 읽기락/쓰기락 나눠서 사용하는게 중요

• 메모리 동기화

  • 읽기 락 작업은 다른 읽기 락 작업과 상호 작용하는 것이 아니므로 스레드 간 동시에 읽기 작업을 하더라도 메모리의 가시성에 아무런 문제가 없다
  • 쓰기 락 작업은 읽기 작업 및 다른 쓰기 작업과의 메모리 동기화를 보장해야 한다. 즉 스레드가 쓰기 락을 해제하고 다른 스레드가 읽기 락을 얻었을 때 이전 쓰기 작업의 업데이트를 볼 수 있어야 한다
    • 가시성 보장

• 사용 기준

  • 읽기/쓰기 락의 사용은 데이터가 읽히는 빈도와 수정되는 빈도, 읽기 및 쓰기 작업의 지속 시간, 데이터에 대한 경합(동시에 데이터를 읽거나 쓰려는 스레드 수)에 따라 결정된다
  • 수정은 드물게 일어나고 검색은 빈번히 발생한다면 읽기/쓰기 락의 사용에 적합한 이상적인 후보라 할 수 있지만 업데이트가 빈번해지면 데이터가 대부분 배타적으로 작동한다
  • 읽기 작업 시간이 긴 경우 여러 스레드들이 경합없이 모두 읽는 이점이 있으나 너무 짧은 경우 읽기/쓰기 락 구현의 오버헤드(읽기작업과 쓰기 작업의 상태를 계속 확인하기 때문에 상호 배제 락보다 알고리즘이 더 복잡함)가 증가하기 때문에 효율성이 떨어진다

ReadLock & WriteLock #

• ReentrantReadWriteLock.ReadLock

  • 여러 읽기 스레드가 동시에 읽기 락을 얻을 수 있으며 읽기 락이 보유되는 동안에는 다른 읽기 스레드들도 읽기 락을 얻을 수 있다
  • 쓰기 락은 읽기 락이 보유되는 동안에 얻을 수 없다. 그러나 대기하는 중에도 계속 읽기락을 요청하는 상황이 발생하면 쓰기락을 요청한 스레드는 기아상태가 될 수 있으므로 쓰기락을 요청한 상태에서는 더 이상 스레드가 읽기 접근을 할 수 없다
    • 읽기가 수행중에 쓰기가 수행되면 안되기 때문 \
    • 읽기락 스레드가 2개가 있는데, 데이터 임계영역을 읽고있는데, 이때 t3이 쓰기작업을 하려고한다면? 안됨 (읽기락이 끝난 후 쓰기락 사용 가능), 두개의 읽기 락이 끝날때까지 쓰기락이 대기한다. T4는 읽기락을 요청하는데, 이때 T3이 계속 기다리게 되니까 이를 방지하기 위해 읽기락을 수행 중에 쓰기락이 요청되면 이 이후에 읽기락 요청은 일단 대기한다.
  • 가장 큰 장점은 여러 스레드가 상호배제 없이 동시에 데이터를 읽을 수 있어서 동시성이 증가한다는 점이다

• ReentrantReadWriteLock.WriteLock

  • 쓰기 락은 배타적이며 한 번에 하나의 스레드만 쓰기 락을 보유할 수 있고 쓰기 락을 보유하는 동안에는 다른 어떤 스레드도 읽기 락이나 쓰기 락을 얻을 수 없다.
  • 쓰기 락이 보유되는 동안에 데이터를 수정하는 작업이 수행되며 이 작업이 완료될 때까지 다른 스레드가 해당 락을 얻지 못한다

ReadWriteLock 구조 #

ReadLock #

// 쓰기 락이 다른 스레드에 의해 보유되지 않는 한 즉시 락을 획득하고 락의 보유 횟수를 1로 설정한다
// 현재 스레드가 이미 이 락을 보유하고 있다면 보유 횟수가 1 증가하고 메서드는 즉시 반환된다(락 재진입 가능)
// 락이 다른 스레드에 의해 보유되어 있다면 현재 스레는 락이 획득될 때까지 대기하며 이후에 락을 성공적으로 획득하면 보유 횟수가 1로 설정된다
void lock()

// 현재 스레드가 인터럽트 되지 않는 한 락을 획득하며 쓰기 락이 다른 스레드에 의해 보유되지 않는다면 락을 즉시 획득하고 락의 보유 횟수를 1로 설정한다
// 현재 스레드가 이미 이 락을 보유하고 있다면 보유 횟수가 1 증가하고 메서드는 즉시 반환된다
// 락이 다른 스레드에 의해 보유되어 있다면 락이 현재 스레드에 의해 획득될 때까지 대기한다. 
// 현재 스레드가 이 메서드에 진입할 때 인터럽트 상태가 설정되어 있는 경우나 또는 락을 획득하는 도중에 인터럽트가 발생한 경우 InterruptedException이 발생하며 인터럽트 상태는 초기화 된다 
// 락을 정상적으로 또는 재진입으로 획득하는 것보다 인터럽트에 응답하는 것이 우선적으로 처리된다
void lockInterruptibly() throws InterruptedException

// 이 락이 호출 시점에 다른 스레드에 의해 쓰기 락이 보유되지 않을 때만 락을 획득하고 락의 보유 횟수를 1로 설정하고  true 를 반환한다
// 이 락이 공정성을 가지도록 설정되었더라도 현재 다른 스레드가 락을 기다리는지 여부와 관계없이 락이 사용 가능한 경우 즉시 락을 획득한다
// 현재 스레드가 이미 이 락을 보유하고 있다면, 보유 횟수가 1 증가하고 true 를 반환한다
// 락이 다른 스레드에 의해 소유되어 있다면 이 메서드는 즉시 false 값을 반환한다. 그리고 이 메서드는 락을 획득하지 못하더라도 스레드가 대기하거나 차단되지 않는다
boolean tryLock()

// 주어진 대기 시간 내에 다른 스레드에 의해 쓰기 락이 보유되지 않으면 락을 획득하고 락의 보유 횟수를 1로 설정하고 true 를 반환한다 
// 이 락이 공정성을 가지도록 설정 되었다면 락이 사용 가능한 경우에는 다른 스레드가 락을 기다리고 있는지 여부와 상관없이 즉시 락을 획득하지 않는다. 이는 tryLock() 메서드와는 대조적이라 할 수 있다 
// 현재 스레드가 이미 이 락을 보유하고 있다면 보유 횟수가 1 증가하고 메서드는 true 를 반환하고 쓰기 락이 다른 스레드에 의해 보유되어 있다면 락이 획득될 때까지 대기한다
// 현재 스레드가 이 메서드를 호출할 때 인터럽트 상태가 설정되어 있거나 락을 획득하는 동안 인터럽트가 발생한 경우 InterruptedException 이 발생 되고 인터럽트 상태가 초기화된다 
// 지정된 대기 시간이 경과하면 값 false 가 반환되며 만약 시간이 0보다 작거나 같으면 메서드는 전혀 대기하지 않는다
// 락의 정상적인 또는 재진입 획득 및 대기 시간 경과 보다 인터럽트에 응답하는 것이 우선적으로 처리된다
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException

// 이 락을 해제하려고 시도한다. 
// unlock() 메드가 호출될 때 마다 락 카운트가 감소되며 만약 현재 읽기 락의 수가 0이라면 이 락은 쓰기 락 시도를 위해 사용 가능하게 된다
// 현재 스레드가 이 락의 소유자가 아닌 경우 IllegalMonitorStateException 이 발생한다

void unlock()

// ReadLock 은 Condition 을 지원하지 않기 때문에 UnsupportedOperationException 이 발생한다
Condition newCondition()

WriteLock #

// 읽기 락이나 쓰기 락이 다른 스레드에 의해 보유되지 않는 한 즉시 락을 획득하고 락의 보유 횟수를 1로 설정한다
// 현재 스레드가 이미 이 락을 보유하고 있다면 보유 횟수가 1 증가하고 메서드는 즉시 반환된다(락 재진입 가능)
// 락이 다른 스레드에 의해 보유되어 있다면 현재 스레는 락이 획득될 때까지 대기하며 이후에 락을 성공적으로 획득하면 보유 횟수가 1로 설정된다
void lock()

// 현재 스레드가 인터럽트 되지 않는 한 락을 획득하며 읽기 락이나 쓰기 락이 다른 스레드에 의해 보유되지 않는다면 락을 즉시 획득하고 락의 보유 횟수를 1로 설정한다
// 현재 스레드가 이미 이 락을 보유하고 있다면 보유 횟수가 1 증가하고 메서드는 즉시 반환된다
// 락이 다른 스레드에 의해 보유되어 있다면 락이 현재 스레드에 의해 획득될 때까지 대기한다. 
// 현재 스레드가 이 메서드에 진입할 때 인터럽트 상태가 설정되어 있는 경우나 또는 락을 획득하는 도중에 인터럽트가 발생한 경우 InterruptedException이 발생하며 인터럽트 상태는 초기화 된다 
// 락을 정상적으로 또는 재진입으로 획득하는 것보다 인터럽트에 응답하는 것이 우선적으로 처리된다
void lockInterruptibly() throws InterruptedException

// 이 락이 호출 시점에 다른 스레드에 의해 읽기 락이나 쓰기 락이 보유되지 않을 때만 락을 획득하고 락의 보유 횟수를 1로 설정하고  true 를 반환한다
// 이 락이 공정성을 가지도록 설정되었더라도 현재 다른 스레드가 락을 기다리는지 여부와 관계없이 락이 사용 가능한 경우 즉시 락을 획득한다
// 현재 스레드가 이미 이 락을 보유하고 있다면, 보유 횟수가 1 증가하고 true 를 반환한다
// 락이 다른 스레드에 의해 소유되어 있다면 이 메서드는 즉시 false 값을 반환한다. 그리고 이 메서드는 락을 획득하지 못하더라도 스레드가 대기하거나 차단되지 않는다
boolean tryLock()

// 주어진 대기 시간 내에 다른 스레드에 의해 읽기 락이나 쓰기 락이 보유되지 않으면 락을 획득하고 락의 보유 횟수를 1로 설정하고 true 를 반환한다 
// 이 락이 공정성을 가지도록 설정 되었다면 락이 사용 가능한 경우에는 다른 스레드가 락을 기다리고 있는지 여부와 상관없이 즉시 락을 획득하지 않는다. 이는 tryLock() 메서드와는 대조적이라 할 수 있다 
// 현재 스레드가 이미 이 락을 보유하고 있다면 보유 횟수가 1 증가하고 메서드는 true 를 반환하고 락이 다른 스레드에 의해 보유되어 있다면 락이 획득될 때까지 대기한다
// 현재 스레드가 이 메서드를 호출할 때 인터럽트 상태가 설정되어 있거나 락을 획득하는 동안 인터럽트가 발생한 경우 InterruptedException 이 발생 되고 인터럽트 상태가 초기화된다 
// 지정된 대기 시간이 경과하면 값 false 가 반환되며 만약 시간이 0보다 작거나 같으면 메서드는 전혀 대기하지 않는다
// 락의 정상적인 또는 재진입 획득 및 대기 시간 경과 보다 인터럽트에 응답하는 것이 우선적으로 처리된다
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException

// 이 락을 해제하려고 시도한다. 
// 락을 해제하려면 동일한 스레드에서 lock() 메서드가 호출된 횟수와 동일한 횟수로 호출해야 한다. 즉 unlock() 메드가 호출될 때 마다 락 카운트가 감소되며 락 카운트가 0 이면 락이 해제된다
// 현재 스레드가 이 락의 소유자가 아닌 경우 IllegalMonitorStateException 이 발생한다
void unlock()

// 이 Lock 인스턴스와 함께 사용하기 위한 Condition 인스턴스를 반환한다
// Condition 인스턴스는 Object 모니터 메서드(wait, notify 및 notifyAll)와 동일한 용도를 지원하며 대기 또는 신호 메서드가 호출될 때 쓰기 락이 없을 경우IllegalMonitorStateException 이 발생한다
// 읽기 락은 쓰기 락과 독립적으로 소유되므로 영향을 주지 않지만 현재 스레드가 읽기 락도 획득한 상태에서 조건 대기 메서드를 호출하는 것은 사실상 항상 오류이다. 왜냐하면 대기를 해제할 수 있는 
다른 스레드도 쓰기 락을 획득하지 못할 수 있기 때문이다
// 대기 메서드가 호출되면 락이 해제되고 신호 메서드가 호출되어 대기 메서드에서 반환하기 전에 스레드는 락을 다시 획득한다
// 스레드가 대기하는 동안 인터럽트가 발생하면 대기가 종료되고 InterruptedException 이 발생하며 스레드의 인터럽트 상태가 초기화된다
// 대기 중인 스레드는 FIFO 순서로 신호를 받습니다. 즉 먼저 대기한 스레드 순서로 신호를 받게 된다 
// 신호에 의해 대기 메서드에서 반환되는 스레드의 락 재획득 순서는 기본적으로 초기에 락을 획득하는 스레드와 동일하나공정 락의 경우 가장 오래 기다리는 스레드에 우선권이 주어진다
Condition newCondition()

ReentrantReadWriteLock 재 진입 정책 #

• 이 락은 ReentrantLock 과 같이 읽기 및 쓰기 락을 다시 획득할 수 있도록 재 진입을 허용하며 쓰기 락을 보유하고 있는 스레드가 모든 쓰기 락을 해제하기 전까지는 재진입이 아닌 (Non-reentrant) 읽기 스레드를 허용하지 않는다

• 쓰기 스레드는 읽기 락을 획득할 수 있지만 읽기 스레드가 쓰기 락을 획득하려고 하면 실패하게 된다

  • 쓰기락을 획득한 쓰레드는 추가적으로 읽기 락을 획득할 수 있다.
  • 읽기락을 획득한 쓰레드는 추가적으로 쓰기 락을 획득할 수 없다.

• 쓰기 락을 보유한 스레드가 읽기 락 아래에서 읽기를 수행하는 메서드 또는 콜백 호출 시 재 진입이 유용할 수 있다.

• 락 다운그레이드 (Lock Downgrade)

  • 재 진입성은 쓰기 락에서 읽기 락으로 다운그레이드할 수 있게 해 준다
  • 이를 위해 쓰기 락을 획득하고 그런 다음 읽기 락을 획득하고 마지막으로 쓰기 락을 해제한다

• 락 업그레이드 (Lock Upgrade)

  • 읽기 락에서 쓰기 락으로 업그레이드하는 것은 불가능하다
    • 읽기락은 여러 쓰레드가 동시에 획득할 수 있기 때문에 상호배제인 쓰기락 획득이 불가능한것
  • 읽기 락은 여러 스레드가 동시에 보유할 수 있기 때문에 업그레이드가 허용되지 않는다

• 쓰기 락을 획득하면 다른 스레드는 어떤 형태로든 락을 획득할 수 없지만 읽기 락을 사용하면 원하는 경우 다른 모든 스레드가 읽기 락을 획득할 수 있게 한다

  • 여기서 락을 Downgrade 한다는 것은 쓰기 락을 보유한 상태에서 읽기 락을 획득한 다음 쓰기 락을 해제하여 읽기 락만 유지하도록 전환 할 수 있음을 의미한다.
  • 예를 들어 매우 중요한 작업은 쓰기 락으로 시작해서 상호배제를 구현하고 중요 작업을 마친 후에는 동시적인 읽기 접근을 허용하는 읽기 락 스레드를 가질 수 있다
    • 쓰기락을 무조건 1개, 읽기락은 여러 스레드 -> 이 부분을 활용하자는 뜻