스프링부트의 동시성 문제와 버추얼 스레드

[ShimFFF]

Spring Boot에서 발생할 수 있는 동시성 문제와 Virtual Threads를 활용한 해결

Spring Boot에서는 다양한 동시성 문제가 발생할 수 있음, 그 원인은 스레드 관리, 차단 I/O 작업, 리소스 공유 문제 등으로 나뉨.

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1. 주요 동시성 문제 예시

1.1 파일 처리에서의 동시성 문제

문제 상황

• Spring Boot 애플리케이션에서 여러 사용자가 동시에 파일 업로드/다운로드를 요청.
• 파일 읽기/쓰기 작업은 차단 I/O로 실행되며, 요청이 많아질 경우 스레드 풀이 고갈될 수 있음.

문제 코드

java
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@RestController
@RequestMapping("/files")
public class FileController {
@GetMapping("/download")
public ResponseEntity<byte[]> downloadFile() throws IOException {
    // 파일 읽기 (차단 I/O)
    Path path = Paths.get("example.txt");
    byte[] content = Files.readAllBytes(path);

    return ResponseEntity.ok(content);
}

}

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1.2 메일 발송 작업에서의 동시성 문제

문제 상황

• Spring Boot에서 다수의 사용자에게 이메일을 보내는 작업을 동시 실행.
• SMTP 서버와의 통신이 차단 I/O로 동작하며, 많은 요청 시 스레드 풀이 고갈될 가능성.

문제 코드

@RestController
@RequestMapping("/mail")
public class MailController {
private final JavaMailSender mailSender;

public MailController(JavaMailSender mailSender) {
    this.mailSender = mailSender;
}

@PostMapping("/send")
public ResponseEntity<String> sendMail(@RequestBody EmailRequest request) {
    SimpleMailMessage message = new SimpleMailMessage();
    message.setTo(request.getTo());
    message.setSubject(request.getSubject());
    message.setText(request.getBody());

    // 메일 발송 (차단 작업)
    mailSender.send(message);

    return ResponseEntity.ok("Mail sent successfully");
}

}

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1.3 스케줄링 작업에서의 동시성 문제

문제 상황

• Spring Boot에서 정기적으로 대량의 데이터를 처리하는 배치 작업 실행.
• 배치 작업이 차단 I/O 작업(DB 작업, 파일 읽기/쓰기 등)을 포함할 경우 스레드 풀 고갈 가능성.

문제 코드

@Component
public class DataProcessor {
@Scheduled(fixedRate = 10000) // 10초마다 실행
public void processLargeData() throws IOException {
    Path path = Paths.get("large_data.txt");
    List<String> lines = Files.readAllLines(path);

    // 데이터 처리 (차단 작업)
    for (String line : lines) {
        System.out.println("Processing: " + line);
    }
}

}

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2. Virtual Threads를 활용한 해결

2.1 파일 처리에서 Virtual Threads 적용

해결 코드

import java.util.concurrent.Executor;
import java.util.concurrent.Executors;
@RestController

@RequestMapping("/files")

public class FileController {
private final Executor virtualThreadExecutor;

public FileController() {
    this.virtualThreadExecutor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
}

@GetMapping("/download")
public ResponseEntity<byte[]> downloadFile() throws IOException {
    return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        try {
            Path path = Paths.get("example.txt");
            return Files.readAllBytes(path);
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }, virtualThreadExecutor).thenApply(ResponseEntity::ok).join();
}

}

코드 설명

• Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()를 사용해 Virtual Threads로 차단 I/O를 분리.
• CompletableFuture로 파일 읽기 작업을 비동기적으로 처리.
• Netty 워커 스레드가 차단되지 않도록 Virtual Threads에서 실행.

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2.2 메일 발송 작업에서 Virtual Threads 적용

해결 코드

@RestController
@RequestMapping("/mail")
public class MailController {
private final JavaMailSender mailSender;
private final Executor virtualThreadExecutor;

public MailController(JavaMailSender mailSender) {
    this.mailSender = mailSender;
    this.virtualThreadExecutor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
}

@PostMapping("/send")
public ResponseEntity<String> sendMail(@RequestBody EmailRequest request) {
    CompletableFuture.runAsync(() -> {
        SimpleMailMessage message = new SimpleMailMessage();
        message.setTo(request.getTo());
        message.setSubject(request.getSubject());
        message.setText(request.getBody());
        mailSender.send(message);
    }, virtualThreadExecutor).join();

    return ResponseEntity.ok("Mail sent successfully");
}

}

코드 설명

• 메일 발송 작업을 Virtual Threads에서 처리하여 SMTP 통신 중 스레드 차단 방지.
• 기존 동기 메일 발송 코드를 유지하면서 Virtual Threads로 성능 개선.

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2.3 스케줄링 작업에서 Virtual Threads 적용

해결 코드

@Component
public class DataProcessor {
private final Executor virtualThreadExecutor;

public DataProcessor() {
    this.virtualThreadExecutor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
}

@Scheduled(fixedRate = 10000)
public void processLargeData() {
    CompletableFuture.runAsync(() -> {
        try {
            Path path = Paths.get("large_data.txt");
            List<String> lines = Files.readAllLines(path);

            for (String line : lines) {
                System.out.println("Processing: " + line);
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }, virtualThreadExecutor).join();
}

}

코드 설명

• 배치 작업에서 파일 읽기와 데이터 처리 작업을 Virtual Threads로 실행.
• 차단 작업을 메인 스레드에서 분리하여 성능 병목 제거.

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3. Virtual Threads 적용 결과

문제	전통적인 해결 방식	Virtual Threads 적용 후
파일 처리	스레드 풀 제한으로 인해 파일 읽기/쓰기 중 병목 발생	Virtual Threads에서 작업 분리로 동시 요청 처리 증가
메일 발송	SMTP 통신 중 스레드 차단	Virtual Threads에서 메일 발송 실행
스케줄링 작업	차단 작업이 많아질 경우 스레드 고갈	Virtual Threads로 작업 분리 및 스레드 효율화

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4. 결론

1. Spring Boot에서 발생하는 다양한 동시성 문제
   • 파일 I/O, 메일 발송, 스케줄링 작업 등에서 차단 작업이 스레드 풀 고갈로 이어질 수 있음.
2. Virtual Threads로 문제 해결
   • 차단 작업을 Virtual Threads에서 실행하여 스레드 차단 방지.
   • 기존 동기 코드를 유지하면서 동시성 문제 해결 가능.
3. 적용의 이점
   • 더 많은 동시 요청 처리.
   • 리소스 사용 효율성 증가.
   • 코드 복잡성 감소.

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