wait, notify, notifyAll

wait, notify, notifyAll은 java.lang.Object에 정의된 스레드 협력 메서드로, 어떤 조건이 충족될 때까지 스레드를 재우고 조건이 바뀌었을 때 깨우는 데 사용한다. wait()를 호출한 스레드는 잡고 있던 고유 락(intrinsic lock)을 놓고 그 객체의 대기 집합(wait set)에 들어가며, 다른 스레드가 같은 객체에서 notify() 또는 notifyAll()을 호출하면 깨어나 락을 다시 얻은 뒤 실행을 이어 간다. 세 메서드 모두 해당 객체의 락을 쥔 상태, 즉 synchronized 블록 안에서만 호출할 수 있다.

왜 Object의 메서드인가

자바에서 락은 특정 객체의 고유 락이고, 조건 대기 역시 그 락과 한 몸으로 움직여야 한다. wait는 락을 놓으며 잠들고 깨어날 때 같은 락을 다시 획득해야 하므로, 대기와 통지는 락의 주인인 객체에 속하는 것이 자연스럽다. 모든 객체가 고유 락을 가지기에 모든 객체의 부모인 Object에 이 메서드들이 정의된 것이다. 락 없이 호출하면 IllegalMonitorStateException이 발생하는데, 락을 놓으려면 먼저 쥐고 있어야 하고, 검사하는 조건 자체가 락으로 보호되는 공유 상태이기 때문이다.

동작 방식: 대기 집합과 락의 이동

스레드가 obj.wait()를 부르면 세 가지가 일어난다. 첫째, obj의 고유 락을 해제한다. 둘째, obj의 대기 집합에 들어가 WAITING 상태가 된다. 셋째, 깨어난 뒤에는 곧바로 실행되는 것이 아니라 락 경쟁에 다시 참여해 락을 획득해야 synchronized 블록 안으로 돌아온다. notify()는 대기 집합에서 임의의 스레드 하나를, notifyAll()은 전부를 깨운다. 깨어났다는 것은 락 경쟁 자격을 되찾았다는 뜻일 뿐 조건 충족을 보장하지 않는다는 점이 중요하다.

그래서 wait는 반드시 조건을 검사하는 while 루프 안에서 호출해야 한다. if로 한 번만 검사하면, 통지 없이 깨어나는 허위 각성(spurious wakeup)이나, 깨어나 락을 얻기 전에 다른 스레드가 조건을 먼저 소비해 버리는 상황에서 잘못된 상태로 진행하게 된다.

생산자 소비자 예제

public class BoundedBuffer {
    private final Queue<Integer> queue = new ArrayDeque<>();
    private final int capacity = 10;

    public synchronized void put(int item) throws InterruptedException {
        while (queue.size() == capacity) { // if가 아니라 while
            wait();                        // 가득 차면 락을 놓고 대기
        }
        queue.add(item);
        notifyAll();                       // 소비자들을 깨운다
    }

    public synchronized int take() throws InterruptedException {
        while (queue.isEmpty()) {
            wait();                        // 비어 있으면 락을 놓고 대기
        }
        int item = queue.remove();
        notifyAll();                       // 생산자들을 깨운다
        return item;
    }
}

이 예제에서 notify() 대신 notifyAll()을 쓴 이유를 이해해야 한다. 하나의 대기 집합에 생산자와 소비자가 섞여 잠들어 있는데 notify()가 하필 같은 역할의 스레드를 깨우면, 깨어난 스레드는 조건이 여전히 거짓이라 다시 잠들고 통지는 소실된다. 최악의 경우 모두가 잠든 채 깨어나지 못하는 사실상의 교착이 된다. 서로 다른 조건을 기다리는 스레드가 한 객체에 섞일 수 있다면 notifyAll()이 안전한 기본값이다.