ArrayIndexOutOfBoundsException 에러

Sentry를 도입 후 일상생활을 보내던 중, 하나의 에러가 Slack에 왔다.

Slack으로 온 해당 에러

 

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1. ArrayIndexOutOfBoundsException이란?

ArrayIndexOutOfBoundsException은 Java에서 배열의 유효하지 않은 인덱스에 접근할 때 발생하는 런타임 예외이다. 

RuntimeException을 상속하며, 컴파일 타임에는 잡히지 않고 실행 시점에 발생한다.

 

 

배열의 인덱스 규칙

Java에서 배열은 고정 크기이며, 인덱스는 0부터 시작한다.

int[] arr = new int[5];  // 크기 5, 유효 인덱스: 0 ~ 4

arr[0] = 10;  // OK
arr[4] = 50;  // OK (마지막 인덱스)
arr[5] = 60;  // ArrayIndexOutOfBoundsException: Index 5 out of bounds for length 5

 

에러 메시지 Index N out of bounds for length M의 의미는 다음과 같다.

• length M: 배열의 크기가 M (유효 인덱스: 0 ~ M-1)
• Index N: 인덱스 N에 접근을 시도했지만, 유효 범위를 벗어남

 

2. 운영 환경에서 발생한 에러 분석

Sentry 에러 로그

운영 서버(production)에서 Sentry에 다음과 같은 Fatal 에러가 10시간 동안 6건 보고되었다.

ArrayIndexOutOfBoundsException: Index 8 out of bounds for length 8

Stack Trace:
  java.util.LinkedHashMap.keysToArray()
  hello.gcstopapi.infra.state.CaffeineCartStateServiceImpl.getCartCourses() (line 82)
  hello.gcstopapi.domain.cart.service.CartService.getCart() (line 70)
  hello.gcstopapi.domain.cart.controller.CartController.getMyCart() (line 61)

• 엔드포인트: GET /api/v1/carts?roundId=35973
• 사용자: anonymousUser
• 환경: production (Eclipse Adoptium JDK 21
  

코드 분석

에러가 발생한 흐름을 코드로 따라가 보자.

CartController - API 진입점

@GetMapping
public ResponseEntity<CartResponse> getMyCart(...) {
    // ...
    CartResponse response = cartService.getCart(player.getId(), cartType, roundId);  // line 61
    return ResponseEntity.ok(response);
}

 

CartService - 비즈니스 로직

public CartResponse getCart(Long playerId, CartType cartType, Long roundId) {
    Long roundIdType = getEffectiveRoundId(cartType, roundId);
    List<Long> courseIds = cartStateService.getCartCourses(roundIdType, playerId, cartType);  // line 70
    // ...
}

 

CaffeineCartStateServiceImpl - 에러 발생 지점

@Override
public List<Long> getCartCourses(Long roundId, Long playerId, CartType cartType) {
    String playerCartKey = buildPlayerCartKey(roundId, playerId, cartType);
    LinkedHashSet<Long> cart = playerCarts.getIfPresent(playerCartKey);

    if (cart == null || cart.isEmpty()) {
        return List.of();
    }
    return new ArrayList<>(cart);  // line 82 - 여기서 예외 발생!
}

 

왜 new ArrayList<>(cart)에서 예외가 발생하는가?

new ArrayList<>(Collection)의 내부 구현을 살펴보자.

// java.util.ArrayList 생성자 (JDK 소스)
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    Object[] a = c.toArray();           // ← 여기서 예외 발생
    // ...
}

LinkedHashSet.toArray()는 다시 내부적으로 2단계로 동작한다.

// 1단계: size()로 결과 배열 크기 결정
int size = this.size();            // → 8
Object[] result = new Object[size]; // 크기 8 배열 할당
​
// 2단계: 내부 순회하며 배열에 복사
int idx = 0;
for (each element in LinkedHashSet) {
    result[idx++] = element;        // idx가 8에 도달하면 → Index 8 out of bounds for length 8
}

1단계와 2단계 사이에 동기화가 없으므로, 다른 스레드가 LinkedHashSet에 요소를 추가하면 실제 요소 수가 배열 크기를 초과한다.

 

장바구니 제한이 6개인데 왜 8개?

나는 프로젝트에서 장바구니 제한을 MAX_COURSES = 6으로 설정 해놨다.

// GameConstants.java
public static final int MAX_COURSES = 6;

 

그런데 확인해보니, 제한 체크 로직에도 동기화 문제가 있었다!

// CartService.java - addCourseToCart()
List<Long> cartIds = cartStateService.getCartCourses(roundId, playerId, cartType);  // ① 현재 크기 조회
if (cartIds.size() >= MAX_CART_SIZE) {   // ② 6개 미만이면 통과
    throw new BusinessException(ErrorCode.CART_FULL);
}
cartStateService.addCourseToCart(roundId, playerId, courseId, cartType);  // ③ 실제 추가

 

1~3 사이에 동기화가 없으므로, 여러 요청이 동시에 2를 통과하면 6개 제한을 초과할 수 있다.
그러므로 장바구니에 8개까지 들어간 이유가 성립된다.

 

즉, 문제는 같은 사용자가 보낸 여러 요청이 Tomcat의 서로 다른 스레드에서 동시에 처리되면서, 같은 LinkedHashSet 인스턴스에 동기화 없이 접근하는 것이 원인이다.

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3. 해결 방법

LinkedHashSet → CopyOnWriteArraySet 교체

CopyOnWriteArraySet은 Java의 java.util.concurrent 패키지에 있는 Thread-Safe한 Set 구현체다.

쓰기(add, remove) 시 내부 배열 전체를 복사하고, 읽기 시에는 복사 없이 현재 배열의 스냅샷을 그대로 반환한다.

 

CopyOnWriteArraySet 동작 원리

읽기(toArray, iteration)

→ 현재 내부 배열을 그대로 참조 (복사 없음, lock 없음)

→ 읽는 도중 다른 스레드가 add()를 해도, 읽는 쪽은 이전 배열을 보고 있으므로 안전

 

쓰기(add, remove)

→ 내부 배열을 통째로 복사한 뒤, 새 배열에 변경을 적용

→ 기존 배열을 읽고 있던 스레드에는 영향 없음

 

이 특성 덕분에 size()와 toArray() 사이에 다른 스레드가 add()를 해도, 읽기 스레드는 변경 전 배열의 스냅샷을 보기 때문에 ArrayIndexOutOfBoundsException이 발생하지 않는다!

 

변경 전

// Caffeine Cache: LinkedHashSet 사용!!!
  private final Cache<String, LinkedHashSet<Long>> playerCarts = Caffeine.newBuilder()
          .expireAfterWrite(5, TimeUnit.MINUTES)
          .maximumSize(10000)
          .build();

@Override
  public void addCourseToCart(Long roundId, Long playerId, Long courseId, CartType cartType) {
      String playerCartKey = buildPlayerCartKey(roundId, playerId, cartType);
      // ...
      LinkedHashSet<Long> cart = playerCarts.get(playerCartKey, k -> new LinkedHashSet<>());
      if (cart.add(courseId)) {
          // ...
      }
  }

 

변경 후

// Caffeine Cache: CopyOnWriteArraySet으로 교체
  private final Cache<String, Set<Long>> playerCarts = Caffeine.newBuilder()
          .expireAfterWrite(5, TimeUnit.MINUTES)
          .maximumSize(10000)
          .build();

@Override
  public void addCourseToCart(Long roundId, Long playerId, Long courseId, CartType cartType) {
      String playerCartKey = buildPlayerCartKey(roundId, playerId, cartType);
      // ...
      Set<Long> cart = playerCarts.get(playerCartKey, k -> new CopyOnWriteArraySet<>());
      if (cart.add(courseId)) {  // Thread-Safe: 내부적으로 배열 복사 후 추가
          // ...
      }
  }

 

 1. 캐시 타입: Cache<String, LinkedHashSet<Long>> → Cache<String, Set<Long>>
 2. 생성부: new LinkedHashSet<>() → new CopyOnWriteArraySet<>()
 3. 참조 타입: LinkedHashSet<Long> → Set<Long>

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4. 결과는??

하루정도 모니터링 결과, 해당 에러는 없어졌다!

Sentry 도입 이후, 무지했던 에러에 대해 분석하고, 해결하는 습관이 생긴 것 같아 뿌듯하다!

읽어주셔서 감사합니다. 오늘도 좋은 하루 되시길 바랍니다 :)