CAS(Compare And Swap) 완벽 이해하기

CAS(Compare And Swap) 완벽 이해하기

이전 글에서 배운 내용을 먼저 정리해보자.

멀티스레드
 ↓
Race Condition 발생
 ↓
synchronized 사용
 ↓
문제 해결

 

그런데 문제가 하나 있다.

synchronized는 안전하지만 비싸다.

 

왜냐하면:

Lock 획득
 ↓
대기
 ↓
Context Switch
 ↓
Lock 해제

 

과정이 필요하기 때문이다.

그래서 CPU 제조사와 JVM 개발자들은 고민했다.

락을 사용하지 않고도 안전하게 값을 변경할 수 없을까?

여기서 등장한 것이:

CAS (Compare And Swap)

이다.

---

1. CAS란?

한 줄 정의.

현재 값이 내가 예상한 값이면 변경하고,
아니면 실패하는 원자적(Atomic) 연산

 

---

2. 이름 의미

CAS

Compare
↓
비교하고

And

Swap
↓
교체

 

---

3. 예제

현재 값

count = 10

 

---

Thread A

10이라고 생각

 

---

CAS 요청

CAS(10, 11)

 

의미

현재 값이 10이면

11로 바꿔라

 

---

4. 결과

현재 값

10

 

이므로

11

 

변경 성공.

---

5. 다른 경우

현재 값

count = 12

 

---

CAS

CAS(10, 11)

 

---

결과

실패

 

---

왜?

내가 예상한 값
=
10

실제 값
=
12

 

---

다르기 때문.

---

6. 중요한 특징

CAS는

비교 + 변경

 

이

한 번에

 

수행된다.

---

7. 왜 중요할까?

만약

비교

↓

변경

 

이 따로 수행되면

중간에 다른 Thread가 끼어들 수 있다.

---

CAS는 CPU가 제공하는 특수 명령어로

비교
+
변경

 

을 하나의 원자적 연산으로 처리한다.

---

8. Atomic이란?

Atomic

더 이상 쪼갤 수 없는 연산

 

---

예:

 

count++;

 

---

사실은

읽기

+

1

+

쓰기

 

3단계.

---

Atomic 아님.

---

9. CAS는 Atomic

비교
+
쓰기

 

가

한 번에 수행됨.

---

10. synchronized와 비교

synchronized

문 잠금
 ↓
작업
 ↓
문 열기

 

---

CAS

문 안 잠금
 ↓
변경 시도
 ↓
실패하면 재시도

 

---

11. CAS 동작 예시

초기값

count = 0

 

---

Thread A

0 읽음

 

---

Thread B

0 읽음

 

---

Thread A

CAS(0,1)

 

성공.

---

현재 값

1

 

---

Thread B

CAS(0,1)

 

실패.

---

왜?

현재 값
=
1

 

---

12. Thread B는?

다시 시도.

1 읽음

↓

CAS(1,2)

↓

성공

 

---

13. 이것이 Lock-Free

중요.

락 없이 동작

 

한다.

---

14. Lock-Free란?

락을 사용하지 않고

동시성 문제를 해결하는 기법.

---

15. JVM에서 CAS

실제로는

 

Unsafe.compareAndSwapInt()

 

같은 JVM 내부 명령 사용.

(최신 JDK는 VarHandle 기반)

---

16. CPU 명령어

대표적으로

CMPXCHG

 

명령 사용.

(x86 기준)

---

CPU가 직접 지원.

---

17. Java에서 어디에 쓰일까?

대표적으로

 

AtomicInteger

 

---

18. 예제

 

AtomicInteger count =
        new AtomicInteger();

 

---

증가

 

count.incrementAndGet();

 

---

19. 내부 구현

대략

 

for (;;) {

    int current = value;

    int next = current + 1;

    if (CAS(current, next)) {
        return next;
    }
}

 

---

20. 왜 for 무한루프?

CAS 실패 가능.

---

실패하면

다시 읽기
 ↓
다시 CAS

 

반복.

---

21. Spin Lock

이 방식을

Spin

 

이라고 한다.

---

계속 돌면서 시도.

---

22. 장점

락 없음.

---

Context Switch 없음.

---

빠름.

---

23. 단점

경쟁 심하면

실패
 ↓
재시도
 ↓
실패
 ↓
재시도

 

계속 반복.

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CPU 사용량 증가.

---

24. 언제 유리할까?

경쟁 적을 때.

---

예:

99% 성공

 

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매우 빠름.

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25. 언제 불리할까?

경쟁 심할 때.

---

100개 Thread

 

가 동시에 수정.

---

CAS 실패 폭증.

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26. 그래서

CAS ≠ 무조건 좋음

 

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상황에 따라 다름.

---

27. ABA 문제

CAS의 유명한 문제.

면접 단골.

---

현재 값

A

 

---

Thread A

A 읽음

 

---

그 사이

Thread B

A → B → A

 

변경.

---

28. Thread A 관점

A 그대로네?

 

---

CAS 성공.

---

하지만 실제로는

중간에 변경됨

 

---

이것이

ABA Problem

 

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29. 해결

대표적으로

 

AtomicStampedReference

 

사용.

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30. 버전 관리

예:

A, version=1

↓

B, version=2

↓

A, version=3

 

---

이제 구분 가능.

---

31. synchronized vs CAS

항목	synchronized	CAS
Lock 사용	O	X
Context Switch	O	X
Atomicity	O	O
경쟁 적을 때	느림	빠름
경쟁 심할 때	안정적	재시도 증가

---

32. CAS와 volatile 관계

매우 중요.

---

AtomicInteger 내부

 

private volatile int value;

 

---

왜?

CAS는

Atomicity

 

제공.

---

volatile은

Visibility

 

제공.

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둘 다 필요.

---

33. 실제 AtomicInteger 구조

개념적으로

 

class AtomicInteger {

    volatile int value;

    incrementAndGet() {
        CAS ...
    }
}

 

---

34. 실무에서 자주 쓰는 Atomic 클래스

대표:

AtomicInteger

 

AtomicInteger
AtomicLong
AtomicBoolean
AtomicReference

 

---

35. 면접 단골 질문

Q. CAS란?

현재 값이 예상값과 같을 때만 변경하는 원자적 연산

 

---

Q. CAS는 Lock을 사용하는가?

아니오

 

---

Q. CAS 실패 시?

재시도

 

---

Q. AtomicInteger는 무엇으로 구현되나?

volatile + CAS

 

---

Q. CAS 문제점은?

ABA 문제

 

---

36. 핵심 흐름 요약

값 읽기
 ↓
예상값 계산
 ↓
CAS 시도
 ↓
성공 → 종료

실패 → 재시도

 

---

37. synchronized → volatile → CAS 흐름

지금까지 배운 내용을 연결하면:

Race Condition
 ↓
synchronized
 ↓
Lock 비용 발생

↓

volatile
 ↓
Visibility 해결

↓

CAS
 ↓
Lock-Free Atomic 연산

 

---

38. 가장 중요한 핵심 한 줄

CAS는 "현재 값이 예상한 값과 같을 때만 변경"하는 CPU 수준의 원자적 연산이며, AtomicInteger 같은 Lock-Free 동시성 클래스의 핵심 기반 기술이다.

 

---

39. 다음 글 예고

다음 글은:

Atomic 클래스 (AtomicInteger, AtomicLong 등)

입니다.

CAS를 실제 Java 코드에서 어떻게 활용하는지, 그리고 왜 count++ 대신 AtomicInteger.incrementAndGet()을 사용하는지 실무 관점에서 깊게 설명하게 됩니다.