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CAS - 동기화와 원자적 연산

원자적 연산

컴퓨터 과학에서 사용하는 원자적 연산(atomic operation)의 의미는 해당 연산이 더 이상 나눌 수 없는 단위로 수행된 다는 것을 의미

예시와 함께 알아보자

구분	구현	성능	원자성 보장	추가 설명
BasicInteger	int 형 타입 value synchronized 미사용	가장 빠름	X	단일 스레드에서만 사용 가능
VolatileInteger	volatile int 형 타입 value synchronized 미사용	느림	X	연산을 위한 안전한 임계 영역이 존재하지 않음
SyncInteger	int 형 타입 value synchronized 사용	가장 느림	O	안전한 임계 영역 존재
MyAtomicInteger	AtomicInteger 사용	synchronized 보다 빠름	O	synchronized , Lock(ReentrantLock) 을 사용하는 경우보다 1.5 ~ 2배 정도 빠름

락 기반(synchronized, Lock)의 경우 안전한 임계 영역이 존재하지 하지만, 값을 조회하고, 수정할 때 락 취득을 위한 코스트가 발생

락 프리(Atomic) 기법은 CAS(Compare-And-Swap, Compare-And-Set) 연산 기반으로 락을 사용하지 않고 원자적 연산을 지원

• CAS 연산은 락을 완전히 대체하는 것은 아니고, CPU 하드웨어 기반으로 작은 단위의 일부 영역에 적용

Atomic 클래스

동작

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title: CAS 연산
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flowchart
    ai[AtomicInteger] --> atomic{원자적 연산인가?}
    atomic -->|Yes| getAndSet["조회(get), 대입(set)"]
    getAndSet --> volatile[volatile value]

    atomic -->|No| compare["비교 연산(incr, compareAndSet)"]
    compare --> compareAndOperate{"비교 연산 실행<bR>(volatile 조회 후 연산)"}
    compareAndOperate -->|"return true<br>(기댓값과 실제값이 같은 경우)"| success[저장]
    success --> volatile
    compareAndOperate -->|"return false<br>(기댓값과 실제값이 다른 경우)"| fail[처음부터 재시도]
    fail --> compare

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CAS를 통해 스핀락(Spin Lock)을 구현하는 경우 compareAndSet 메서드 활용

Spin Lock은 락을 획득할 때까지 계속 반복문을 돌면서 대기하기 때문에 락 취득을 위해 대기하는 시간이 길어지는 경우(e.g. CPU 연산이 오래 걸리는 경우) 성능 저하가 발생할 수 있음 (CPU 자원 계속해서 소모)

스레드가 락을 획득하기 위해 대기하지 않기 때문에 대기 시간과 오버헤드가 줄어들기 때문에 성능 향상

충돌(연산 시 기댓값과 실제값이 다른 경우)이 빈번하게 발생하는 환경에서는 성능에 문제가 될 수 있음

• 여러 스레드가 자주 동시에 동일한 변수의 값을 변경하려고 시도할 때, CAS는 자주 실패하고 재시도해야 하므로 성능 저하가 발생할 수 있음
• 이런 상황에서는 반복문을 계속 돌기 때문에 CPU 자원을 많이 소모하게 됨

간단한 CPU 연산에는 락(Lock)보다는 CAS를 사용하는 것이 효과적

비교

구분	동기화 락(Lock) 방식	CAS(Compare-And-Swap) 방식
접근 방법	비관적(pessimistic) 접근법 (다른 스레드가 방해할 것이다)	낙관적(optimistic) 접근법 (대부분의 경우 충돌이 없을 것이다)
설명	데이터에 접근하기 전에 항상 락을 획득 다른 스레드의 접근을 막음	락을 사용하지 않고 데이터에 바로 접근 충돌이 발생하면 그 때 재시도
장점	충돌 관리: 하나의 스레드만 리소스에 접근할 수 있으므로 충돌 발생 X 안정성: 복잡한 상황에서도 일관성 있는 동작 보장 CPU 절약: 락을 대기하는 스레드는 CPU를 거의 사용하지 않음	낙관적 동기화: 락을 걸지 않고도 값을 안전하게 업데이트 충돌이 적은 경우 성능 향상: 락 프리(Lock-Free) 기반으로 락을 사용하지 않기 때문에 락을 획득하기 위해 대기하는 시간 X
단점	락 획득 대기 시간 증가: 스레드가 락을 획득하기 위해 대기해야 하므로 대기 시간이 길어질 수 있음 컨텍스트 스위칭 오버헤드: 락을 사용하면 락 획득을 대기하는 시점과 또 락을 획득하는 시점에 스레드의 상태가 변경되어 컨텍스트 스위칭이 발생할 수 있음	충돌이 빈번한 경우 성능 저하: 여러 스레드가 동시에 동일한 변수에 접근하여 업데이트를 시도할 때 충돌이 발생할 수 있음 스핀 락과 유사한 오버헤드: 충돌 시 반복적인 재시도를 하므로, 이 과정이 계속 반복되면 스핀 락과 유사한 성능 저하 발생

요약

일반적으로 동기화 락을 사용하고, 아주 특별한 경우에 한정해서 CAS를 사용해서 최적화해야 함

• 빨리 끝나거나 단순한 연산(e.g. 카운트)에서는 CAS를 사용하는 것이 효과적
• 오래 걸리거나 복잡한 연산(e.g. DB I/O 작업, Network I/O 작업)에서는 동기화 락 사용

우리가 일반적으로 사용하는 많은 자바 동시성 라이브러리 및 동기화 컬렉션들은 성능 최적화를 위해 CAS 연산을 적극 활용하고 있음

• 따라서 실무에서 직접 CAS 연산을 사용하는 사용하는 일은 매우 드뭄
• 대신에 CAS 연산을 사용해서 최적화 되어 있는 라이브러리들을 이해하고 편리하게 사용할 줄 알면 충분함