SynchronizedMap와 ConcurrentHashMap

SynchronizedMap과 ConcurrentHashMap은 둘 다 멀티 스레드 환경에서 사용할 수 있는 Map 구현체이다. 하지만 두 클래스는 서로 다른 방식으로 동기화를 제공한다. 이 글에서는 두 클래스의 차이점을 알아보고, 어떤 상황에서 어떤 클래스를 사용해야 하는지 알아보겠다.

SynchronizedMap

SynchronizedMap은 Collections.synchronizedMap() 메소드를 통해 생성할 수 있다. 이 클래스는 내부적으로 synchronized 키워드를 사용하여 동기화를 제공한다. Collections.synchronizedxxx의 초기화 코드는 다음과 같다.

Map<String, String> map = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());

앞서 생성한 HashMap을 Collections.synchronizedMap() 메소드에 넘겨주면, 래핑 된 SynchronizedMap이 생성된다. 하지만 이렇게 생성한 SynchronizedMap은 단순히 synchronized 키워드를 사용하여 객체 레벨의 잠금을 제공하여 동기화를 제공하기 때문에, put 및 get 메소드 호출 시 동일한 작업을 수행하기 위해 락을 선점해야 한다. 이처럼 컬렉션 전체에 대한 락을 사용하면 오버 헤드가 발생하며, 한 스레드가 맵을 수정하는 동안 다른 스레드는 대기해야 하는 과도한 락 문제가 발생할 수 있다. 또한 이는 성능 저하를 야기할 수 있으며, ConcurrentModificationException이 발생할 수 있다.

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap은 SynchronizedMap과 달리 락을 사용하여 동기화를 제공하지 않는다. 이 클래스는 synchronized 키워드를 사용하지 않고, 내부적으로 락을 사용하여 동기화를 제공한다.

ConcurrentHashMap은 다음과 같이 생성할 수 있다.

Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();

ConcurrentHashMap은 SynchronizedMap과 달리 synchronized 키워드를 사용하지 않기 때문에, 객체 레벨의 락이 아닌 좀 더 세분화된 버킷 레벨의 락을 사용하여 동기화를 제공한다. 여기서 버킷 레벨의 락이란 맵의 각 버킷에 대해 락을 제공하는 것을 의미한다. 배열, 연결 리스트 그리고 트리 등의 자료구조를 사용하여 버킷을 구성하며, 각 버킷은 독립적으로 락을 가지고 있다. 보통 해시 충돌이 얼마나 발생하는지에 따라 버킷의 수가 결정되며, 해시 충돌이 많이 발생할수록 버킷의 수가 많아진다. 또한 자료구조도 해시 충돌을 줄이기 위해 변경되는데 만약 해쉬 충돌이 적으면 배열과 연결 리스트를 사용하고, 해시 충돌이 많으면 Red-Black Tree를 사용한다. 이를 통해 여러 스레드가 동시에 맵을 수정할 수 있으며, 더 많은 확정성을 지니게 된다. 기본적으로 ConcurrentHashMap은 16개의 버킷을 가지고 있으며, 각 버킷은 독립적으로 락을 가지고 있다. 이론적으로 봤을 때 16개의 버킷이 있기 때문에 16개의 스레드가 동시에 맵을 수정할 수 있다. 필요하다면 ConcurrentHashMap의 크기를 늘릴 수 있으며, 이는 생성자에 전달할 수 있는 초기 용량을 조정하여 가능하다.

null 허용 여부

SynchronizedMap과 ConcurrentHashMap은 null 키와 null 값을 다른 방식으로 처리한다. 기본적으로 SynchronizedMap은 null 키와 null 값을 모두 허용한다.

Map<String, String> synchronizedMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());
synchronizedMap.put(null, "value"); // null 키 허용
synchronizedMap.put("key", null); // null 값 허용

하지만, ConcurrentHashMap은 null 키와 null 값을 모두 허용하지 않는다. 따라서 ConcurrentHashMap을 사용할 때는 null 키와 null 값을 사용하지 않도록 주의해야 한다.

Map<String, String> concurrentHashMap = new ConcurrentHashMap<>();
concurrentHashMap.put(null, "value"); // null 키 불허
concurrentHashMap.put("key", null); // null 값 불허

Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
    at java.base/java.util.concurrent.ConcurrentHashMap.putVal(ConcurrentHashMap.java:1011)
    at java.base/java.util.concurrent.ConcurrentHashMap.put(ConcurrentHashMap.java:1006)
    at com.example.demo.DemoApplication.main(DemoApplication.java:13)

그래도 ConcurrentHashMap을 사용하고 싶은데 null 키와 null 값을 사용해야 하는 경우에는, ConcurrentHashMap 대신 ConcurrentHashMap을 상속받아 null 키와 null 값을 허용하는 클래스를 만들어 사용할 수 있다.

public class MyConcurrentHashMap<K, V> extends ConcurrentHashMap<K, V> {
    @Override
    public V put(K key, V value) {
        if (key == null) {
            throw new NullPointerException("null key");
        }
        if (value == null) {
            throw new NullPointerException("null value");
        }
        return super.put(key, value);
    }
}

SynchronizedMap과 ConcurrentHashMap은 멀티 스레드 환경에서 사용할 수 있는 Map 구현체이다. 하지만 두 클래스는 서로 다른 방식으로 동기화를 제공한다. SynchronizedMap은 synchronized 키워드를 사용하여 객체 레벨의 락을 제공하며, ConcurrentHashMap은 버킷 레벨의 락을 사용하여 동기화를 제공한다. 따라서 ConcurrentHashMap이 SynchronizedMap보다 더 좋은 성능을 제공한다. 또한 ConcurrentHashMap은 null 키와 null 값을 허용하지 않는다. 따라서 null 키와 null 값을 사용해야 하는 경우에는 ConcurrentHashMap을 사용할 수 없다. 이러한 경우에는 ConcurrentHashMap을 상속받아 null 키와 null 값을 허용하는 클래스를 만들어 사용할 수 있다.

SynchronizedMap vs ConcurrentHashMap

SynchronizedMap와 ConcurrentHashMap