섹션 11. CAS - 동기화와 원자적 연산 (2)

[ljh468]

1. CAS 연산 1 (Compare-And-Swap)

락(Lock) 기반 방식의 문제점

• 비관적(Pessimistic) 접근

  • 데이터에 접근하기 전에 항상 락을 획득하고, 다른 스레드의 접근을 막음

• 오버헤드

  • 락을 확인, 획득, 반납하는 과정이 반복되며 스레드가 대기 상태(BLOCKED)로 전환될 때 컨텍스트 스위칭 비용이 발생함

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CAS 연산이란?

• 정의

  • 비교하고 바꾼다'는 뜻으로, 락을 걸지 않고 상태를 원자적으로 변경하는 락 프리(Lock-Free) 기법임

• 낙관적(Optimistic) 접근

  • 대부분의 경우 충돌이 없을 것이라고 가정하고, 충돌이 발생했을 때만 재시도함

• 동작 원리 (compareAndSet)

  • 현재 변수의 값이 **기대하는 값(Expected)**과 같다면, **새로운 값(Update)**으로 변경하고 true를 반환함.
  • 값이 다르다면 변경하지 않고 false를 반환함.

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하드웨어의 지원

• CAS는 소프트웨어가 아닌 CPU 하드웨어 차원에서 제공하는 원자적 명령어임
• CPU는 '값을 확인'하고 '변경'하는 두 과정을 하나의 원자적 명령으로 묶어 실행하므로 중간에 다른 스레드가 개입할 수 없음

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2. CAS 연산 2 - 원자적 연산 직접 구현

AtomicInteger가 제공하는 incrementAndGet() 메서드의 내부 로직을 CAS 연산을 활용해 직접 구현한 예시임.

CasMainV2 클래스

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import static util.MyLogger.log;

public class CasMainV2 {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
        System.out.println("start value = " + atomicInteger.get());

        // 직접 구현한 incrementAndGet 호출
        int resultValue1 = incrementAndGet(atomicInteger);
        System.out.println("resultValue1 = " + resultValue1);

        int resultValue2 = incrementAndGet(atomicInteger);
        System.out.println("resultValue2 = " + resultValue2);
    }

    private static int incrementAndGet(AtomicInteger atomicInteger) {
        int getValue;
        boolean result;
        do {
            getValue = atomicInteger.get(); // 1. 현재 값 읽기
            log("getValue: " + getValue);
            
            // 2. CAS 연산 시도: 내가 읽은 값이 메모리 값과 같다면 +1 변경
            result = atomicInteger.compareAndSet(getValue, getValue + 1);
            log("result: " + result);
            
            // 3. 실패 시(false) 다시 루프를 돌며 재시도
        } while (!result);

        return getValue + 1;
    }
}

• 핵심 로직
  • 성공할 때까지 무한 루프를 돌며 값을 업데이트하는 재시도(Retry) 방식을 사용함

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3. CAS 연산 3 - 멀티스레드 충돌 분석

• 여러 스레드가 동시에 같은 변수를 수정하려고 할 때(충돌 상황) CAS가 어떻게 동작하는지 분석함.
• 멀티스레드 상황에서의 재시도 과정

1. 스레드 A와 스레드 B가 동시에 getValue = 0을 읽음
2. 스레드 A가 먼저 compareAndSet(0, 1)에 성공하여 메모리 값을 1로 변경함
3. 스레드 B가 compareAndSet(0, 1)을 시도하지만, 메모리 값이 이미 1이므로 **실패(false)**함
4. 스레드 B는 do-while 루프를 다시 돌아 현재 값 1을 읽고, compareAndSet(1, 2)를 시도하여 성공함

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CAS 방식의 장단점

• 장점
  • 충돌이 적은 환경에서는 락 획득/해제 비용이 없으므로 성능이 매우 뛰어남
• 단점
  • 충돌이 빈번한 경우, 실패한 스레드가 루프를 돌며 CPU를 계속 사용하는 바쁜 대기(Busy-wait) 현상이 발생하여 CPU 자원을 소모함

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4. 정리: CAS vs 동기화 락(Lock)

애플리케이션의 상황에 맞는 적절한 동기화 전략 선택이 중요함.

구분	락(Lock) 방식 (비관적)	CAS 방식 (낙관적)
핵심 가정	"충돌이 자주 발생할 것이다"	"충돌이 거의 없을 것이다"
메커니즘	락 획득 시까지 스레드 대기(Blocked)	성공할 때까지 무한 루프 재시도
성능 (충돌 적음)	상대적으로 느림 (오버헤드 발생)	매우 빠름
성능 (충돌 많음)	안정적임	성능 저하 가능성 (CPU 소모)
스레드 상태	BLOCKED / WAITING 상태로 전환17	RUNNABLE 상태 유지

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그래서 언제 무엇을 사용해야하냐면?

• CAS를 사용해야 하는 경우

  • 숫자 카운트, 자료 구조의 데이터 추가/삭제와 같이 연산이 매우 짧게 끝나는 경우
  • 충돌 가능성보다 충돌하지 않을 가능성이 훨씬 높은 실무의 대부분의 상황

• 동기화 락을 사용해야 하는 경우

  • 데이터베이스 대기, 네트워크 요청 등 작업 시간이 긴 경우 (스핀 락 사용 시 CPU 낭비가 심함)
  • 복잡한 비즈니스 로직 보호가 필요한 경우 사용함