[Java] 컬렉션 프레임워크(Collection Framework), 동시성 컬렉션(concurrent collection) 이란? 장단점, 차이

컬렉션 프레임워크(Collection Framework) 란?

컬렉션 프레임워크는 자바에서 데이터 그룹(컬렉션)을 저장, 관리, 조작하는 클래스와 인터페이스들의 집합입니다. 이 프레임워크는 데이터를 저장하는 자료구조를 표준화하여 제공하며, 각각의 자료구조는 특정 목적에 맞게 설계되어 있습니다. 주요 인터페이스로는 Collection, List, Set, Queue, Map 등이 있으며, 각 인터페이스를 구현한 다양한 클래스들이 제공됩니다.

• 주요 인터페이스 및 클래스:
  • Collection: 모든 컬렉션 클래스의 최상위 인터페이스로, 원소들의 집합을 나타냅니다.
  • List: 순서가 있는 데이터의 집합을 나타내며, 중복 원소를 허용합니다. (ArrayList, LinkedList 등)
  • Set: 순서가 없고 중복을 허용하지 않는 데이터 집합을 나타냅니다. (HashSet, TreeSet 등)
  • Map: 키-값(key-value) 쌍으로 이루어진 데이터 집합을 나타내며, 키는 유일해야 하지만 값은 중복될 수 있습니다. (HashMap, TreeMap 등)
  • Queue: FIFO(First-In-First-Out) 순서를 따르는 데이터 집합을 나타내며, 주로 큐 형태의 자료 구조를 구현합니다. (LinkedList, PriorityQueue 등)

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동시성 컬렉션(Concurrent Collection) 이란?

동시성 컬렉션은 멀티스레드 환경에서 안전하게 사용할 수 있는 컬렉션입니다. 자바에서는 멀티스레드 환경에서 여러 스레드가 동시에 컬렉션을 수정하려고 할 때 문제가 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 한 스레드가 컬렉션을 수정하는 도중 다른 스레드가 동시에 접근하여 수정을 시도할 경우 데이터 일관성 문제가 발생할 수 있습니다.

동시성 컬렉션은 이러한 문제를 해결하기 위해 여러 동기화 메커니즘을 내부적으로 구현하여 스레드 간에 안전하게 공유할 수 있도록 합니다. 주요 동시성 컬렉션은 다음과 같습니다:

• ConcurrentHashMap: HashMap과 유사하지만 스레드 안전하게 동작하도록 설계된 맵입니다.
• CopyOnWriteArrayList: 수정 연산이 자주 발생하지 않고 읽기 연산이 많은 경우에 유용한 리스트입니다. 수정 연산이 발생할 때마다 복사본을 만들어 새로운 리스트를 생성하는 방식으로 동시성을 보장합니다.
• ConcurrentLinkedQueue: 스레드 안전한 큐 구현체로, 비동기적으로 요소를 추가하거나 제거할 수 있습니다.

이러한 동시성 컬렉션은 멀티스레드 환경에서 데이터의 일관성과 안전성을 유지하면서 성능을 최적화할 수 있도록 도와줍니다. 따라서 자바에서 멀티스레딩을 사용하는 프로그램에서는 동시성 컬렉션을 적절히 활용하여 스레드 간의 동기화 문제를 방지할 수 있습니다.

사용 예시

예시 1: ConcurrentHashMap

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class ConcurrentMapExample {
    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();

        // 여러 스레드에서 안전하게 접근
        map.put("One", 1);
        map.put("Two", 2);
        map.put("Three", 3);

        // 스레드 안전하게 반복문을 통해 모든 항목 출력
        map.forEach((key, value) -> System.out.println(key + " : " + value));
    }
}

 

예시 2: CopyOnWriteArrayList

import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

public class CopyOnWriteListExample {
    public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

        // 여러 스레드에서 안전하게 접근
        list.add("Item1");
        list.add("Item2");
        list.add("Item3");

        // 스레드 안전하게 반복문을 통해 모든 항목 출력
        list.forEach(item -> System.out.println(item));
    }
}

 

 

장점

1. 멀티스레드 환경 안전성: 동시성 컬렉션은 여러 스레드에서 안전하게 동시 접근할 수 있습니다. 내부적으로 동기화 메커니즘이 구현되어 있어 스레드 간 데이터 일관성을 보장합니다.
2. 성능 최적화: 동시성 컬렉션은 동기화 메커니즘을 적용하여 스레드 간 경합 상태를 줄이고, 병렬 처리 성능을 향상시킵니다. 특히 읽기 연산이 많은 경우에 유리합니다.
3. 코드 간결성: 별도의 동기화 처리 없이도 멀티스레드 환경에서 안전하게 사용할 수 있어 코드 작성이 간단해집니다.
   
   

단점

1. 메모리 사용량 증가: 동시성을 유지하기 위해 내부적으로 추가적인 메모리를 사용할 수 있습니다. 특히 CopyOnWriteArrayList 같은 경우는 수정이 발생할 때마다 새로운 복사본을 만들어 메모리 사용량이 늘어날 수 있습니다.
2. 성능 저하: 일반적인 컬렉션보다 약간의 성능 저하가 발생할 수 있습니다. 특히 쓰기 연산이 많은 경우 동시성 처리로 인해 성능이 저하될 수 있습니다.

 

차이점 (기존 컬렉션과 비교)

• 동시성 처리: 기존의 컬렉션은 멀티스레드 환경에서 동시 접근 시 문제가 발생할 수 있지만, 동시성 컬렉션은 내부적으로 동기화 메커니즘을 사용하여 스레드 안전성을 보장합니다.
• 성능: 일반적인 컬렉션은 단일 스레드 환경에서의 성능을 최적화하는 데 중점을 둡니다. 반면 동시성 컬렉션은 멀티스레드 환경에서의 성능을 최적화하며, 읽기 연산에 대해서는 성능 향상을 가져올 수 있습니다.
• 메모리 사용: 일부 동시성 컬렉션은 추가적인 메모리를 사용하여 동시성을 유지합니다. 이는 일부 상황에서 메모리 사용량을 증가시킬 수 있습니다.

동시성 컬렉션은 멀티스레드 환경에서 데이터 일관성과 안전성을 유지하면서 성능을 최적화하는 데 유용합니다. 따라서 멀티스레드 환경에서 안전하고 효율적으로 데이터를 처리해야 하는 경우 동시성 컬렉션을 사용하는 것이 바람직합니다.