멀티스레드 환경에서의 리스트 동기화: Collections.synchronizedList()와 CopyOnWriteArrayList 비교

멀티스레드 환경에서 리스트를 안전하게 사용하려면 스레드 간 동기화가 필요합니다. Java에서 동기화된 리스트를 제공하는 대표적인 방법으로 Collections.synchronizedList()와 CopyOnWriteArrayList가 있습니다. 두 방법 모두 스레드 안전성을 제공하지만, 동작 방식과 성능 면에서 중요한 차이가 있습니다. 이 글에서는 각 방법의 차이점과 사용법을 설명하고, 동기화 방식의 성능 이슈와 최적화 방법을 코드 예제와 함께 알아보겠습니다.

 

1. Collections.synchronizedList()

Collections.synchronizedList()는 기존의 리스트를 감싸서 동기화된 리스트를 제공합니다. 즉, 리스트 객체의 모든 메소드가 동기화되어 스레드가 동시에 접근할 때 안전성을 보장합니다. 내부적으로 synchronized 키워드를 사용하여 메소드마다 잠금을 걸어 동시 접근을 제어합니다.

 

사용 예시

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;

public class SynchronizedListExample {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> synchronizedList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());

        // 스레드 안전하게 요소 추가
        synchronizedList.add("A");
        synchronizedList.add("B");

        // 반복문을 통한 리스트 접근 시 동기화 블록이 필요
        synchronized (synchronizedList) {
            for (String s : synchronizedList) {
                System.out.println(s);
            }
        }
    }
}

특징

• 모든 메소드에 synchronized가 적용되므로 스레드 안전성 확보.
• 반복문으로 리스트에 접근할 때도 동기화 블록을 사용해야 안전합니다. 그렇지 않으면 ConcurrentModificationException이 발생할 수 있습니다.
• 읽기와 쓰기 작업에 동일한 잠금을 사용하여 전체 리스트가 동기화됩니다. 이는 높은 쓰기 성능을 제공하지만, 읽기 작업까지 잠금을 필요로 하므로 읽기 성능은 다소 떨어집니다.

2. CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList는 내부적으로 쓰기 작업 시 배열을 복사하는 방법을 사용합니다. 즉, 리스트에 새로운 요소를 추가하거나 제거할 때마다 배열을 복사하여 새로운 배열을 만듭니다. 이런 특성 덕분에 읽기 작업이 동기화 없이 안전하게 이루어질 수 있습니다.

 

사용 예시

import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

public class CopyOnWriteArrayListExample {
    public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList<String> copyOnWriteList = new CopyOnWriteArrayList<>();

        // 스레드 안전하게 요소 추가
        copyOnWriteList.add("A");
        copyOnWriteList.add("B");

        // 동기화 없이도 안전하게 반복문 사용 가능
        for (String s : copyOnWriteList) {
            System.out.println(s);
        }
    }
}

 

특징

• 쓰기 작업이 발생할 때마다 리스트 전체를 복사하므로 성능 비용이 발생할 수 있습니다.
• 읽기 작업에 대해 동기화가 필요하지 않아 여러 스레드가 동시에 접근할 때도 빠르게 작동합니다.
• ConcurrentModificationException이 발생하지 않으므로 반복문을 동기화 블록 없이 안전하게 사용할 수 있습니다.

3. 성능 비교: 언제 무엇을 사용할까?

두 가지 방법은 성능 측면에서 서로 다른 장단점을 가지고 있습니다. 선택 기준은 다음과 같습니다.

• 읽기 작업이 많은 경우: CopyOnWriteArrayList가 더 적합합니다. 읽기 작업은 동기화 없이 빠르게 처리되므로, 높은 성능을 발휘합니다.
• 쓰기 작업이 많은 경우: Collections.synchronizedList()가 더 효율적일 수 있습니다. CopyOnWriteArrayList는 쓰기 시마다 리스트를 복사하기 때문에, 쓰기 작업이 많으면 성능이 저하될 수 있습니다.

4. 코드 예제: synchronizedList()와 CopyOnWriteArrayList 성능 비교

멀티스레드 환경에서 두 리스트 동기화 방식을 비교하는 예제입니다. 각 스레드는 리스트에 여러 번 요소를 추가하며, 각각의 방식이 얼마나 빠르게 처리되는지 확인합니다.

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

public class ListSynchronizationPerformance {
    private static final int NUM_THREADS = 10;
    private static final int NUM_ITERATIONS = 10000;

    public static void main(String[] args) {
        List<String> synchronizedList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
        CopyOnWriteArrayList<String> copyOnWriteList = new CopyOnWriteArrayList<>();

        // synchronizedList 성능 측정
        long startTime = System.nanoTime();
        runTest(synchronizedList);
        long endTime = System.nanoTime();
        System.out.println("SynchronizedList Time: " + (endTime - startTime) + " ns");

        // CopyOnWriteArrayList 성능 측정
        startTime = System.nanoTime();
        runTest(copyOnWriteList);
        endTime = System.nanoTime();
        System.out.println("CopyOnWriteArrayList Time: " + (endTime - startTime) + " ns");
    }

    private static void runTest(List<String> list) {
        Thread[] threads = new Thread[NUM_THREADS];

        for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < NUM_ITERATIONS; j++) {
                    list.add("element-" + j);
                }
            });
        }

        for (Thread thread : threads) {
            thread.start();
        }

        for (Thread thread : threads) {
            try {
                thread.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

이 예제에서 각 리스트의 요소 추가에 걸리는 시간을 측정하여 동기화 방식에 따른 성능 차이를 확인할 수 있습니다. 결과적으로 synchronizedList는 쓰기 성능이 좋지만, 읽기 성능은 상대적으로 떨어질 수 있습니다. 반면 CopyOnWriteArrayList는 읽기 성능이 우수하지만, 쓰기 작업이 많을 때는 성능이 저하될 수 있습니다.

 

5. 심화 개념: 동기화 방식의 성능 이슈와 최적화 방안

1. Collections.synchronizedList()의 성능 이슈

• 모든 읽기와 쓰기 작업이 동기화되므로, 다중 스레드 환경에서 **잠금 경합(lock contention)**이 발생할 수 있습니다.
• 모든 스레드가 동일한 잠금을 기다리게 되므로, 쓰기 작업이 적고 읽기 작업이 많은 경우에는 비효율적입니다.

최적화 방안:

• 쓰기 작업이 많지 않고 읽기 작업이 많은 경우에는, 잠금이 필요 없는 읽기 작업을 위해 리스트의 복사본을 생성 후 사용하는 방법을 고려할 수 있습니다.

2. CopyOnWriteArrayList의 성능 이슈

• 쓰기 작업이 많을 때 배열을 매번 복사하므로 메모리와 성능 비용이 증가합니다.
• 따라서, 쓰기 작업이 많을 경우에는 적합하지 않으며, 읽기 작업이 월등히 많은 경우에 사용하는 것이 좋습니다.

최적화 방안:

• 쓰기 작업이 매우 빈번하게 발생하는 환경이라면 CopyOnWriteArrayList 대신 Collections.synchronizedList()를 사용하는 것이 성능상 유리합니다.

 

결론

멀티스레드 환경에서 리스트를 사용할 때 동기화 방식 선택은 중요한 결정입니다. 작업의 빈도와 유형을 고려하여 적합한 동기화 방식을 선택하면 성능을 최적화할 수 있습니다.

• 읽기 중심의 작업에서는 CopyOnWriteArrayList를 통해 성능을 극대화할 수 있으며, 쓰기 작업이 거의 없다면 이 방식이 이상적입니다.
• 쓰기 작업이 빈번한 경우에는 Collections.synchronizedList()가 더 유리합니다.

두 방식의 장단점을 이해하고 상황에 맞는 동기화 방식을 사용하면 멀티스레드 환경에서의 성능을 최적화할 수 있습니다.