Multi-Thread 환경에서 싱글톤 패턴으로 구현했을 경우 발생할 수 있는 문제

Servlet과 Servlet Container

Servlet은 Servlet Container가 시작할 때, 인스턴스를 하나만 생성하도록 다음과 같이 클래스를 정의했습니다.

/**
 * 클라이언트로부터 모든 요청을 수신하는 서블릿 컨테이너
 */
@Slf4j
@WebServlet(name = "dispatcher", urlPatterns = "/", loadOnStartup = 1)
public class DispatcherServlet extends HttpServlet {
    private Map<String, Controller> requestMap;

    @Override
    public void init() {
        requestMap = new HashMap<>();

        requestMap.put("/boards", new ShowBoardsController());
        requestMap.put("/board", new ShowBoardController());
        ...
    }

위와 같은 코드를 보면 알 수 있듯이 멀티 쓰레드 환경에서 여러 명의 사용자(클라이언트)가 인스턴스 하나를 재사용 합니다.

매번 발생하지는 않지만,

여러명의 클라이언트가 동시에 같은 코드를 실행하는 경우 발생할 수 있기 때문에, 해당 내용에 대해서 작성해 보려고 합니다.

멀티 쓰레드 환경에서 발생하는 문제

/**
 * 게시물 번호에 해당하는 게시물 View 담당
 */
public class ShowBoardController extends AbstractController {

    private BoardDTO boardDTO = null;
    private BoardService boardService = new BoardService(
                        new BoardDAO(), new CommentDAO(), new CategoryDAO(), new FileDAO());

    /**
     * 게시글 번호에 해당하는 게시글 정보를 응답합니다
     *
     * @catch 게시글 번호에 해당하는 게시물이 없는 경우 (NoSuchElementException) 에러페이지를 응답합니다
     */
    @Override
    public void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
        try {
            boardDTO = boardService.findBoardWithDetails((Long.parseLong(req.getParameter("board_idx"))));
        } catch (NoSuchElementException e) {
            req.setAttribute("error_message", e.getMessage());
            req.getRequestDispatcher("/views/error/error404.jsp").forward(req, resp);
        }

        req.setAttribute("searchConditionQueryString", SearchConditionUtils.buildQueryString(req.getParameterMap()).toString());
        req.setAttribute("board", boardDTO);

        req.getRequestDispatcher("/views/boardView.jsp").forward(req, resp);
    }
}

멀티 쓰레드 환경에서 문제가 발생하는 부분은 ShowBoardController의 필드로 구현되어 있는 부분입니다.

어떠한 문제가 언제 발생하는지 확인해 보겠습니다.

상황을 가정해보겠습니다.

사용자 A와 사용자 B는 다음과 같은 URI로 동시에 서버에 요청합니다.

사용자 A

http://localhost:8080/board?board_idx=1

사용자 B

http://localhost:8080/board?board_idx=7

요청 URI에서 파라미터 이름인 board_idx는 게시글 번호를 의미합니다.

사용자 A는 1번 글을, 사용자 B는 7번 글을 요청했습니다.

하지만, 사용자 A와 사용자 B 브라우저에는 다음과 같이 동일한 화면이 출력됩니다.

이 문제가 왜 발생하는지에 대해서 정확히 이해하고,

이를 해결하기 위해서는 구현한 코드가 메모리에서 어떻게 동작하는지 이해해야 합니다.

사용자 A가 요청했을 때

먼저, JVM은 코드를 실행하기 위해서 메모리를 스택과 힙 영역으로 나눠서 관리합니다.

스택과 힙 영역에 대해서 간단하게 정리하자면,

스택 영역은 각 메서드가 실행될 때 메서드의 인자, 로컬 변수등을 관리하는 메모리 영역으로 각 쓰레드마다 서로 다른 스택 영역을 가집니다.

힙 영역은 클래스의 인스턴스 상태 데이터를 관리하는 영역이므로, 쓰레드가 서로 공유할 수 있는 영역입니다.

따라서, ShowBoardController의 execute() 메서드가 실행되면,
execute() 메서드에 대한 스택 프레임의 로컬 변수 영역의 첫 번째 위치에 자기 자신에 대한 메모리 위치를 가르킵니다.

ShowBoardController에 대한 인스턴스는 힙에 생성되어 있으며, 필드에 BoardDTO 가지기 때문에 힙에 생성되어 있는 BoardDTO 인스턴스를 가르키는 구조로 실행됩니다.

사용자 A에 의해서, 1번 글에 해당하는 BoardDTO 인스턴스를 가르킨다

)

사용자 A가 요청했을 때는 별다른 특이사항이 없지만,

문제는 execute() 메서드가 완료되지 않은 시점에서 사용자 B의 요청에 의해 execute() 메서드가 실행될 경우 발생합니다.

사용자 B가 요청을 하면 ShowBoardController가 가르키는 BoardDTO는 1번이 아닌 7번으로 바뀌게 됩니다.

따라서, 사용자 A의 본래 요청은 1번 글이었으나, 사용자 B의 요청에 의해서 7번글로 변경된다는 의미입니다.

그렇다면 이 상황을 어떻게 해결했을까요?

멀티 쓰레드 환경에서는 로컬 변수로 구현

클래스의 필드가 아닌, 로컬 변수로 구현하는 것입니다.

execute() 메서드의 로컬 변수로 구현하면, ShowBoardController가 인스턴스에 대한 참조를 가지지 않고 메서드의 스택 프레임의 로컬 변수 영역에서 해당 인스턴스에 대한 참조를 가르키게 됩니다.

따라서, 쓰레드 간의 영향을 미치는 일은 발생하지 않습니다.

마지막으로..

이번 계기로 구현한 소스코드가 메모리에서 어떻게 실행되는지 확인할 수 있었습니다.

앞으로, 멀티 쓰레드 환경에서 상태 값을 가지는 객체는 주의 깊게 디버깅 하면서, 프로그래밍을 해보려고 합니다.

감사합니다.