공유 Map이 동시에 망가질 때 — 동시성 자료구조

비동기 작업 여러 개가 같은 HashMap을 동시에 건드리다 이상한 증상이 나왔다. 어떤 값은 사라지고, 최악의 경우 스레드가 get()에서 무한 루프에 빠져 CPU를 100% 먹었다. HashMap은 스레드 세이프하지 않다. 이게 왜 단순한 “동기화 깜빡함”을 넘어 자료구조 자체가 깨지는 문제인지 들여다본다.

왜 HashMap은 동시 접근에 무너지나

HashMap은 버킷 배열과 연결 리스트(또는 트리)로 구성된다. 원소가 많아지면 리사이즈(resize)가 일어나 더 큰 배열로 옮긴다. 이 이동 중에 두 스레드가 동시에 들어오면, 옛 자바(8 이전)에선 연결 리스트에 순환 참조가 생겨 이후 get()이 영원히 도는 무한 루프가 발생했다. 자바 8에서 리사이즈 방식이 바뀌어 무한 루프 가능성은 줄었지만, 여전히 데이터 유실과 깨진 size, 잘못된 null 반환은 남는다.

핵심은 이렇다. put은 하나의 원자적 연산이 아니다. 해시 계산 → 버킷 탐색 → 노드 연결 → size 증가가 이어지는 복합 동작이고, 중간에 다른 스레드가 끼어들면 구조가 어긋난다. 동기화 없는 동시 쓰기는 정의되지 않은 동작이다.

flowchart LR
    A[스레드1 put] --> C[버킷 재배치 중]
    B[스레드2 put] --> C
    C --> D[연결 끊김 / size 어긋남]
    D --> E[유실 · null · 무한 루프]

세 가지 선택지

1) ConcurrentHashMap — 가장 흔한 답이다. 내부적으로 버킷 단위 락(자바 8부터는 CAS + 버킷 헤드 synchronized)으로 동시 쓰기를 허용하면서 구조를 보호한다. 읽기는 대체로 락 없이 동작해 처리량이 높다.

private final Map<String, Integer> counts = new ConcurrentHashMap<>();

void increment(String key) {
    // get-then-put은 원자적이지 않다 → 원자 메서드를 써야 한다
    counts.merge(key, 1, Integer::sum);
}

여기서 함정. ConcurrentHashMap을 써도 if (!map.containsKey(k)) map.put(k, v) 같은 복합 동작은 여전히 경쟁 조건이다. 각 메서드만 원자적일 뿐이다. merge, compute, putIfAbsent 같은 원자 메서드로 묶어야 한다.

2) Collections.synchronizedMap — 모든 메서드를 단일 락으로 감싼다. 간단하지만 읽기까지 직렬화돼 경합이 심하면 느리다. 게다가 순회(iterator)는 바깥에서 직접 동기화해야 한다.

3) 불변 스냅샷 전달 — 가장 안전한 길일 때가 많다. 공유 가변 상태를 아예 없앤다. 한 스레드에서 Map을 다 만든 뒤 Map.copyOf로 불변화해 다른 스레드에 넘기면, 받는 쪽은 동기화를 고민할 필요가 없다.

Map<String, Integer> result = build();          // 한 스레드에서 완성
Map<String, Integer> frozen = Map.copyOf(result); // 불변 스냅샷
publish(frozen);                                  // 안전하게 전달

메서드 간에 자료구조를 어떻게 넘길까

가변 Map을 여러 스레드가 참조하도록 넘기는 순간 문제가 시작된다. 원칙은 “공유하려면 동시성 컬렉션, 넘기려면 불변 사본”이다. 작업 단위 안에서만 쓰는 로컬 Map은 동기화가 필요 없고(스레드 한정), 경계를 넘어갈 때만 위 선택을 적용한다.

운영 함정

테스트에선 안 터지고 운영에서 터진다. 경쟁 조건은 타이밍에 의존해 재현이 어렵다. 단위 테스트는 단일 스레드라 멀쩡하다. 부하가 오르고 스레드가 겹치는 운영에서야 유실·깨짐이 드러난다. 그래서 “지금까진 괜찮았다”는 안전의 근거가 못 된다. 공유 가변 컬렉션을 본 순간 의심한다.

원자 메서드를 쓰고도 방심. ConcurrentHashMap이라며 get 결과를 보고 분기한 뒤 put하면 그 사이 다른 스레드가 끼어든다. 읽고-판단하고-쓰는 흐름은 반드시 compute 계열로 한 번에 처리한다.

핵심 요약

• HashMap 동시 쓰기는 유실·깨진 size·(구버전)무한 루프를 부른다.
• 공유 가변이 필요하면 ConcurrentHashMap + 원자 메서드(merge/compute).
• 경계를 넘겨 전달할 땐 Map.copyOf 불변 스냅샷이 가장 안전하다.
• 경쟁 조건은 테스트를 통과해도 운영에서 터진다. 공유 가변을 보면 의심한다.