동시성 제어 방식 분석

해당 프로젝트에서의 요구 사항

동시에 여러 요청이 들어오더라도 순서대로 혹은 한 번에 하나의 요청씩만 제어될 수 있도록 구현

JVM 애플리케이션에서의 동시성 제어 방식

JVM(Java, Kotlin) 애플리케이션에서의 동시성 제어는 여러 스레드가 동시에 접근할 때 발생할 수 있는 문제를 해결하기 위한 여러 가지 방법이다.

1. 내장 동기화

synchronized 키워드는 가장 기본적인 동기화 방법입니다. synchronized 키워드를 사용하여 특정 메서드 또는 블록을 동기화하면 해당 메서드 또는 블록이 실행되는 동안 다른 스레드가 접근할 수 없다.

• synchronized 메서드 사용 예제

@Synchronized
fun synchronizedMethod() {
    // 메서드 코드 ...
}

• synchronized 블록 사용 예제

fun doSomethingBlock() {
    synchronized(this) {
        // 코드 ...
    }
}

2. Lock 인터페이스

java.util.concurrent.locks 패키지 내 Lock 인터페이스는 다양한 Lock 구현을 제공합니다. 이를 통해 유연하게 동기화를 관리할 수 있다.

• Lock 구현체의 대표적인 종류
  1. ReentrantLock: 재 진입이 가능한 Lock, wait(), notify()와 같이 락을 획득하고 해제하는 과정을 개발자가 직접 제어할 수 있다.
  2. ReentrantReadWriteLock: 한 쌍의 Lock, 읽기 전용 작업용 Lock과 쓰기용 Lock
  3. StampedLock: 낙관적, 읽기 전용, 쓰기 전용 모드와 같이 3가지 모드가 있는 Lock
• ReentrantLock 사용 예제

val lock = ReentrantLock()

fun doSomething() {
    lock.lock()
    try {
        // 코드 ...
    } finally {
        lock.unlock()
    }
}

3. Volatile 변수

• volatile 키워드를 사용하여 변수를 선언하면, 캐시된 값을 사용하는 것을 방지하고, 변수의 변경 사항이 즉시 다른 스레드에 반영되도록 하기 떄문에, 해당 변수의 값을 모든 스레드에서 최신 상태로 유지할 수 있다.
• volatile 사용 예제

@Volatile
val flag = false

4. Atomic 클래스

• java.util.concurrent.atomic 패키지 내 Atomic 클래스는 단일 변수를 원자적으로 업데이트하도록 기능을 제공해준다.
• CAS (Compare And Swap) 알고리즘을 사용하여 메인 메모리에 저장된 값과 캐시에 저장된 값을 비교하여 일치하는 경우에만 값을 사용하도록 하여 원자성을 보장한다.
• Atomic 클래스 사용 예제

val atomicInt = AtomicInt(0)
atomicInt.incrementAndGet()

5. Concurrent Collections

• java.util.concurrent 패키지 내 동시성 컬렉션은 멀티스레드 환경에서 안전하게 데이터 구조를 사용할 수 있게 제공해준다.
• Concurrent Collections 대표 종류
  • ConcurrentHashMap
  • CopyOnWriteArrayList

6. CompletableFuture

• CompletableFuture는 비동기 작업을 체이닝하고 결과를 기다리며, 예외 처리를 하게 해주는 클래스
• CompletableFuture 사용 예제

val executor = Executors.newFixedThreadPool(10)
CompletableFuture.supplyAsync({
    // 비동기 작업 ...
}, executor).thenAccept {
    // 결과 처리 ...
}

7. Kotlin Coroutines

• Kotlin에서의 Coroutines은 스레드를 차단하지 않고도 비동기 처리를 간편하게 할 수 있게 해주는 기능
• Coroutines 사용 예제

GlobalScope.launch {
    val result = async {
        // 비동기 작업 ...
    }.await()
}

요구 사항에 부합하는 동시성 제어 방식 분석

상황 정리

• 요구 사항에 충족하기 위해서는 포인트 충전과 사용에 대한 기능에 대해 멀티 스레드 환경에서의 동시성 요청에 대해 제어가 가능해야 한다.
• 이미 포인트를 저장하거나 업데이트하는 로직은 HashMap<Long, UserPoint> 타입의 데이터 구조를 사용하고 있고, 이를 변경할 수는 없다.
• 결국, PointService에서 구현할 포인트 충전과 사용 기능에서 동시성 처리를 해줘야 한다.

시행 착오와 구현 방향

1. 처음에는 요청이 들어올 때 ConcurrentLinkedDeque와 같은 동시성 제어 컬렉션에 요청 데이터를 넣어주고 순차적으로 꺼내주면서 해야하나? 라고 생각했다.
   • 하지만 다시 생각해보니 특정 유저 아이디에 대해 포인트 충전 요청이 오면, 충전 완료하고 해당 유저의 포인트 정보를 응답으로 줘야하는데 그러지 못한다는 문제가 있었다.
2. 두 번째로는 포인트 충전/사용 기능에 대해 synchronized 키워드를 사용해 구현하는 방법을 생각했다.
   • 하지만 이는 모든 요청에 대해 지연이 걸리게 되며, 다른 유저의 충전/사용 요청으로 인해 나의 충전/사용 요청이 지연되는 문제가 발생하게 된다.
   • 따라서 동일한 유저의 요청에 대해서는 제어를, 다른 유저의 요청에 대해서는 동시에 진행되도록 하는 방법이 필요했다.
3. 최종적인 방법으로 ConcurrentHashMap과 Locks을 사용하는 방법으로, 동일한 유저의 요청에 대해서 Lock을 하는 방식으로 구현하였다.
   • ConcurrentHashMap<Long, ReentrantLock> 타입의 맵을 PointService의 private 필드로 정의했다.
     • 충전과 사용 요청은 동시에 수행하면 안 되기 때문에 동일한 맵에 Lock을 관리했다.
   • 충전/사용 기능에서 요청 들어온 userId 값이 맵에 없으면 새로운 Lock을 획득하도록 했다. 이 것으로 다른 유저의 요청에 대해서는 동시에 수행 가능하도록 했다.

동시성 제어 기능 검증

해당 포인트 충전/사용의 동시성 제어에 대해 검증할 케이스는 두 가지를 고려했다.

1. 비동기 방식으로 서로 다른 사용자의 충전 요청을 여러 번 요청하고 난 후 각 유저의 잔여 포인트 양과 전체 충전/사용 내역 검증
2. 비동기 방식으로 같은 사용자의 충전/사용 요청을 순차적으로 요청하고 난 후 유저의 잔여 포인트 양이 순차적으로 요청했을 때 나올 수 있는 양인지 검증