아이템 83. 지연 초기화는 신중히 사용하라

[corock]

지연 초기화(lazy initialization)란?

필드의 초기화 시점을 그 값이 처음 필요할 때까지 늦추는 기법
주 용도는 크게 1) 최적화, 2) 클래스와 인스턴스 초기화 때 발생하는 위험한 순환 문제 해결 용도로 사용

지연 초기화 == ⚔️

최선의 조언

"지연 초기화는 필요할 때까지는 하지 말라"

• feat. 아이템 67. 최적화는 신중히 하라 #167
• 클래스 or 인스턴스 생성 시 초기화 비용은 줄지만, 지연 초기화하는 필드 접근 비용은 커짐

성능을 느리게 할 수도 있는 요인

1. 지연 초기화 대상 필드 중 초기화가 이뤄지는 비율에 따라
2. 실제 초기화에 드는 비용에 따라
3. 초기화된 각 필드를 얼마나 빈번히 호출하느냐에 따라

그러면 언제 지연 초기화를 쓰라는 거죠?

• 해당 클래스의 인스턴스 중 그 필드를 사용하는 인스턴스의 비율은 낮고, 그 필드를 초기화하는 비용이 클 경우
• 유감스럽게도 이게 효용성이 있는지는 지연 초기화 적용 전후의 성능을 직접 측정해보는 방법밖에 없음
• 보통 일반적인 초기화가 지연 초기화보다 나음

예시

일반적인 초기화 및 인스턴스 필드의 지연 초기화

Nonmember.java

public class Nonmember {

    private final String name;

    public Nonmember(String name) {
        this.name = name;
    }

}

Member.java

public class Member {

    private final String name;

    public Member(String name) {
        this.name = name;
    }

}

Driven code

public class MemberShell {

    private final Nonmember nonmember = this.createNonmember();
    private Member member;

    private Nonmember createNonmember() {
        return new Nonmember("Anonymous");
    }

    /**
     * 지연 초기화가 초기화 순환성(initialization circularity)을 해소하기 위해서는 `synchronized` 접근자 메서드 사용
     */
    public /* synchronized */ Member getMember() {
        if (Objects.isNull(member)) {
            member = this.createMember();
        }

        return member;
    }

    private Member createMember() {
        return new Member("corock");
    }

}

정적 필드용 지연 초기화

• 성능 때문에 정적 필드를 지연 초기화해야 한다면 지연 초기화 홀더 클래스(lazy initialization holder class) 관용구 사용

public class MemberHolder {

    static final Member member = createMember();

    private static Member createMember() {
        return new Member("CoRock");
    }

    public static Member getMember() {
        return MemberHolder.member;
    }

}

• getMember() 메서드가 처음 호출되는 순간 MemberHolder.member 가 처음 읽히면서 MemberHolder 클래스 초기화 촉발
• 이 관용구는 getMember() 메서드가 필드에 접근하면서 동기화를 전혀 하지 않으므로 성능이 느려질 거리가 없어 유용함

이중검사(double-check) 관용구

• 성능 때문에 인스턴스 필드를 지연 초기화해야 할 때 사용
• 초기화된 필드에 접근할 때 동기화 비용을 없애줌 (feat. 아이템 79. 과도한 동기화는 피하라 #191)
• 한 번은 동기화 없이 검사하고, 두 번째는 동기화하여 검사하는 방식으로 필드의 값을 총 두 번 검사
• 필드가 초기화된 후로는 동기화하지 않으므로 해당 필드는 반드시 volatile 로 선언해야 함
  (feat. 아이템 78. 공유 중인 가변 데이터는 동기화해 사용하라 #182)

public class BlueCheck {

    private volatile Member member;

    private static Member createMember() {
        return new Member("CoRock");
    }

    private Member getMember() {
        Member result = member;

        // 첫 번째 검사 (락 사용 안 함)
        if (Objects.nonNull(result)) {
            return result;
        }

        synchronized(this) {
            // 두 번째 검사 (락 사용)
            if (Objects.isNull(field)) {
                member = createMember();
            }
        }

        return MemberHolder.member;
    }

}

• result 변수는 필드가 이미 초기화된 상황에서는 그 필드를 딱 한 번만 읽도록 보장하는 역할
• 반드시 필요하지는 않지만 성능을 높여주고, 저수준 동시성 프로그래밍에 표준적으로 적용되는 우아한 방법 (약 1.4배 성능 향상)
• 정적 필드에 이중검사도 적용할 수 있지만 그것보다 지연 초기화 홀더 클래스 방식이 더 나음
• 이따금 반복해서 초기화해도 상관없는 인스턴스 필드를 지연 초기화해야 할 때는 이중검사에서 두 번째 검사를 생략할 수 있음
• 모든 스레드가 필드의 값을 다시 계산해도 상관없고 필드 타입이 long 과 double 을 제외한 다른 기본 타입일 때, volatile 제거 가능
  • 이 변종을 짜릿한 단일검사(racy single-check) 관용구라고 함
  • 이 관용구는 어떤 환경에서는 필드 접근 속도를 높여주지만, 초기화가 스레드당 최대 한 번 더 이뤄질 수 있음
  • 하지만 이는 이례적인 기법이라 잘 사용하지 않는 편

cf. volatile

자바 변수를 CPU 캐시가 아닌 Main Memory 에 저장한다고 명시하는 것
변수 값을 Read & Write 시 Main Memory 로 접근

회고

• 무조건 지연 초기화로 하여 필요할 때만 불러오는 것이 좋은 방법으로만 알고 있었는데, 통념을 깨는 계기가 되었음

References

• Volatile Vs Atomic [duplicate]
• Volatile Variables

[JoisFe]

한 번은 동기화 없이 검사하고, 두 번째는 동기화하여 검사하는 방식으로 필드의 값을 총 두 번 검사
-> 이중 검사가 왜 ?? 성능을 높여주지 궁금하여 chatgpt에 물어봤습니다.

지연 초기화에서 한 번은 동기화 없이 필드를 검사하고, 두 번째는 동기화하여 검사하는 방식으로 필드의 값을 총 두 번 검사하는 이유는 성능 향상과 관련이 있습니다.

첫 번째 검사에서는 필드의 값이 이미 초기화되어 있는지 확인합니다. 이 경우에는 두 번째 검사와 동기화를 할 필요가 없기 때문에 불필요한 동기화를 줄일 수 있습니다. 따라서 이로 인해 불필요한 오버헤드가 감소하고, 성능 향상이 이루어집니다.

두 번째 검사에서는 필드의 값이 초기화되어 있지 않은 경우에만 동기화를 하여 필드를 초기화합니다. 이때, 동기화를 통해 다른 스레드가 필드의 값을 수정하는 것을 방지합니다. 또한, 이렇게 초기화된 필드는 이후에는 더 이상 동기화가 필요하지 않기 때문에 불필요한 오버헤드를 줄일 수 있습니다.

이처럼 지연 초기화에서는 필드의 값을 필요한 시점에 초기화하는 방식으로 성능 향상을 이루고 있으며, 이를 위해 불필요한 동기화를 줄이는 것이 중요합니다.