쏚쏚스포이드

AtomicInteger.class

Java에서 사용하는 클래스로 멀티 스레드 환경에서 안전하게 사용되기 위한 원자성을 보장받는 자료형이다

클래스의 주요 기능 및 특징

• 원자적 연산
  • 다른 스레드가 해당 연산의 중간 상태를 볼 수 없음
• 스레드 안전
  • 여러 스레드에서 동시에 접근하더라도 데이터 경합 없이 안전하게 값을 읽고 쓸 수 있음
• 락 없이 동작
  • 기존의 동기화 방식(synchronized 키워드)은 락을 사용하지만, 아토믹 연산은 CPU가 제공하는 하드웨어 수준의 락-프리(Lock-Free) 매커니즘을 사용
• CAS 알고리즘
  내부적으로 CAS(Compare-And-Swap) 알고리즘을 사용하여 값을 업데이트
  • 특정 메모리 위치 값이 예상값과 같은지 확인한 후, 같다면 새 값으로 교체
  • 이 과정에서 충돌을 감지

주요 메서드

• get()
• set(int newValue)
• getAndIncrement()
  • 현재 값 반환 후 1 증가
• incrementAndGet()
  • 값을 1 증가시키고 증가된 값 반환
• compareAndSet(int expect, int update)
  • 현재 값이 expect와 같으면 update 값으로 변경 (CAS 연산)

사용 고려 시점

• 동시성 프로그래밍에서 데이터를 안전하게 업데이트해야 하는 경우
  • 멀티 스레드 환경에서 카운터 증가
  • 통계 집계
• 락 기반 동기화보다 가벼운 대안
• 성능이 중요한 환경에서 데이터 무결성을 유지해야 할 때

❓CAS (Compare-And-Swap)

CAS는 값의 업데이트가 특정 조건에서만 이루어지도록 보장하는 하드웨어 지원 원자적 연산
따라서 자바에만 있는 것이 아니라, C 계열의 언어에서도 std::atmoic 클래스와 같이 사용되고 있음

CAS 작동 방식

• 특정 메모리 위치에 대해, 세 값을 비교 및 업데이트
  • 현재 값 (current): 현재 메모리에 저장된 값
  • 기대 값 (expected): 우리가 예상하는 값
  • 새 값 (new): 우리가 저장하려는 값
• CAS 연산의 과정
  • 메모리의 현재 값이 기대 값(expected)과 동일하면, 새 값으로 업데이트
  • 메모리의 현재 값이 기대 값과 다르면 실패를 반환

CAS 장점

• 스케일링 가능성: 여러 스레드가 동시에 접근해도 성능 저하가 적다.
• 스레드가 블로킹되지 않으므로 데드락 위험성이 없다

CAS 단점

• Busy-waiting:
  • 실패할 경우 재시도하는 루프를 사용하므로 CPU 자원을 소비할 수 있다.
  • 특히 충돌이 빈번하면 성능 저하가 발생할 수 있다.
• ABA 문제:
  • 메모리 값이 A -> B -> A로 변경된 경우, CAS는 값이 바뀌지 않았다고 판단할 수 있다.
  • 이 문제는 태그(tag) 또는 버전 관리를 통해 해결

코드 예시 - 과정만 참고

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get(); // 현재 값 읽기
        int next = current + 1; // 새로운 값 계산
        if (compareAndSet(current, next)) // CAS 연산
            return next; // 성공 시 반환
    }
}

CPU의 원자적 명령어

CPU는 CAS 연산을 지원하기 위해 특정 명령어(기계어)를 제공

• x86 아키텍처 - CMPXCHG(Compare and Exchange)
• ARM 아키텍처 - LDREX/STREX

메모리 값을 읽고 수정하는 작업을 한 번에 처리하므로, synchronized 키워드 없이 안전하게 업데이트