[자바/Java] 쓰레드(thread)

쓰레드(thread)

• 프로세스 : 실행 중인 프로그램, 자원(resources)과 쓰레드로 구성 = 공장
• 쓰레드 : 프로세스 내에서 실제 작업을 수행하는 것. 모든 프로세스는 최소한 하나의 쓰레드를 가지고 있다. = 일꾼

우리가 사용하고 있는 대부분 프로그램은 아래와 같이 멀티 쓰레드 프로세스인 것을 확인할 수 있다.

그리고 하나의 새로운 프로세스를 생성하는 것보다 하나의 새로운 쓰레드를 생성하는 것이 더 적은 비용이 든다!!! 그렇다고 멀티쓰레드 프로그래밍이 장점만 있는 것은 아니다.

 

• 장점
  • 시스템 자원을 보다 효율적으로 사용할 수 있다.
  • CPU의 사용률을 향상시킨다.
  • 사용자에 대한 응답성이 향상된다.
  • 작업이 분리되어 코드가 간결해진다.
• 단점(자원을 공유하는 데 있어 문제발생)
  • 동기화에 주의해야 한다.
  • 교착상태가 발생하지 않도록 주의해야 한다.
  • 각 쓰레드가 효율적으로 고르게 실행될 수 있게 해야 한다.

참고로 쓰레드의 종류에는 일반 쓰레드와 데몬 쓰레드가 있다. 이는 아래에 추가로 정리하였다.

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쓰레드의 구현과 실행

 1.  Thread클래스를 상속

class MyThread extends Thread{
	public void run() { //Thread클래스의 run()을 오버라이딩
    	//작업내용
    }
}

 2.  Runnable인터페이스를 구현

class MyThread2 implements Runnable{
	public void run() { //Runnable인터페이스의 추상메서드 run()을 구현
    	//작업내용
    }
}

 3.  쓰레드 실행

//1번 방법
MyThread t1 = new MyThread(); //쓰레드의 생성
t1.start(); //쓰레드의 실행

//2번 방법
Runnable r = new MyThread2(); //쓰레드의 생성
Thread t2 = new Thread(r); // Thread(Runnable r)
t2.start(); //쓰레드의 실행

 

 4.  쓰레드 구현 클래스

Thread클래스를 상속받으면, 자손 클래스에서 조상인 Thread클래스의 메서드를 직접 호출할 수 있지만, Runnable을 구현하면 Thread클래스의 static메서드인 currentThread()를 호출하여 쓰레드에 대한 참조를 얻어 와야만 호출이 가능하다.

 

 

쓰레드의 실행을 하기 위해서는 쓰레드 생성 후 start() 메서드를 호출해야 쓰레드가 작업을 시작한다. 그리고 쓰레드가 여러 개일 경우 OS의 스케쥴러가 실행 순서를 결정한다. 또한, 한번 시행이 종료된 쓰레드는 다시 실행할 수 없다!! 즉, 하나의 쓰레드에 대해 start()가 한 번만 호출될 수 있다는 뜻이다.

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start()와 run()

쓰레드를 실행시킬 때 run()이 아닌 start() 호출한다는 것이 의문이 들 것이다. 쓰레드가 실행되는 과정에 대해서 살펴보자.

1. main 메서드에서 쓰레드의 start()를 호출한다.
2. start()는 새로운 쓰레드를 생성하고, 쓰레드가 작업하는데 사용될 호출스택을 생성한다. 
3. 새로 생성된 호출스택에 run()이 호출되어, 쓰레드가 독립된 공간에서 작업을 수행한다.
4. 이제는 호출스택이 2개이므로 스케줄러가 정한 순서에 의해서 번갈아 가면서 실행된다.
5. run()의 수행이 종료된 쓰레드는 호출스택이 모두 비워지면서 이 쓰레드가 사용하던 호출스택은 사라진다.

이처럼 main메서드에서 run()을 호출하는 것은 생성된 쓰레드를 실행시키는 것이 아니라 단순히 클래스에 선언 된 메서드를 호출하는 것일 뿐이다. 또한, 모든 쓰레드는 독립적인 작업을 수행하기 위해 자신만의 호출스택을 필요로 하기 때문에, 새로운 쓰레드를 생성하고 실행시킬 때마다 새로운 호출스택이 생성되고 쓰레드가 종료되면 작업에 사용된 호출스택은 소멸된다.

그리고 main메서드의 작업을 수행하는 것도 쓰레드이며, 이를 main쓰레드라고 한다.

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싱글쓰레드와 멀티쓰레드

• 싱글쓰레드 : 하나의 쓰레드로 두 개의 작업을 수행하는 경우

• 멀티쓰레드 : 두 개의 쓰레드로 두개의 작업을 수행하는 경우, OS 스케줄러가 실행순서를 결정하기에 실행할 때마다 다르게 나타난다.

싱글쓰레드로 프로그램을 실행한 것과 멀티쓰레드로 실행한 것을 비교해보면 멀티쓰레드로 작업할 때 미세하게 더 많은 시간이 걸리게 되며 이유는 두 가지이다. 첫 번째로 두 쓰레드가 번갈아가면서 작업을 처리하기 때문에 쓰레드간의 작업전환시간이 소요되기 때문이고, 두 번째는 한 쓰레드가 화면에 출력하고 있는 동안 다른 쓰레드는 출력이 끝나기를 기다려야하는데, 이때 발생하는 대기시간 때문이다. 하지만 입출력과 같이 두 쓰레드가 서로 다른 자원을 사용하는 작업의 경우에는 싱글쓰레드 프로세스보다 멀티 쓰레드 프로세스가 더 효율적이다.

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쓰레드의 우선순위(priority of thread)

쓰레드는 작업의 중요도에 따라 우선순위를 다르게 하여 특정 쓰레드가 더 많은 작업시간을 갖게 할 수 있다.

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쓰레드 그룹

쓰레드 그룹은 서로 관련된 쓰레드를 그룹으로 묶어서 다루기 위한 것이다. 모든 쓰레드는 반드시 하나의 쓰레드 그룹에 포함되어 있어야하는데 쓰레드 그룹을 지정하지 않고 생성한 쓰레드는 'main쓰레드 그룹'에 속한다. 또한, 자신을 생성한 쓰레드(부모 쓰레드)의 그룹과 우선순위를 상속받는다.

 

쓰레드 그룹의 메서드들은 필요할 때 찾아보자~

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데몬 쓰레드(daemon thread)

일반 쓰레드(non-daemon thread)의 작업을 돕는 보조적인 역할을 수행하는 쓰레드이다. 따라서, 일반 쓰레드가 모두 종료되면 자동적으로 종료된다. 데몬 쓰레드는 가비지 컬렉터, 자동저장, 화면 자동갱신 등에 사용된다.

데몬 쓰레드는 무한루프와 조건문을 이용해서 실행 후 대기하고 있다가 특정 조건이 만족되면 작업을 수행하고 다시 대기하도록 작성한다.

참고로 setDaemon(boolean on)은 반드시 start() 호출하기 전에 실행되어야 한다. 그렇지 않으면 IllegalThreadStateException이 발생한다.

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쓰레드의 상태

RUNNABLE은 작업을 다 마칠때까지 실행하고 다시 대기하는 일종의 줄서기 단계라고 보면 된다. 

그리고 쓰레드의 실행제어 메서드를 활용해서 보다 효율적인 프로그램을 작성할 수 있다.

 

sleep = 잠자기

join = 특정 쓰레드 작업하는 거 기다리기

interrupt = 깨우기

suspend = 일시정지

resume = 재개

stop = 완전정지

yield = 양보하기

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쓰레드 동기화(synchronization)

멀티 쓰레드 프로세스에서는 A 쓰레드가 작업을 다 마치지 못한 상태에서 B 쓰레드로 차례가 넘어갔을 때 진행과정에서 기존의 A 쓰레드의 작업에 영향을 미칠 수 있다. 이처럼 진행중인 작업이 다른 쓰레드에게 간섭받지 않게 하려면 '동기화'가 필요하다.

쓰레드의 동기화란 한 쓰레드가 진행중인 작업을 다른 쓰레드가 간섭하지 못하게 막는 것을 말한다.

동기화를 하려면 간섭받지 않아야 하는 문장들을 '임계 영역'으로 설정한다. 임계영역은 락(lock)을 얻은 단 하나의 쓰레드만 출입이 가능하다.(객체 1개에 락 1개)

 

• synchronization를 이용한 동기화

synchronized로 임계영역(lock이 걸리는 영역)을 설정하는 방법 2가지

임계 영역은 한 쓰레드당 한 개만 사용할 수 있기 때문에 영역을 최소화 해야한다. 임계 영역은 멀티 쓰레드 프로그램의 성능을 좌우하기 때문에 가능하면 메서드 전체에 락을 거는 1번보다 2번 방법으로 임계 영역을 최소화해서 보다 효율적인 프로그램이 되도록 노력해야 한다.

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wait()과 notify()

synchronized로 동기화해서 공유 데이터를 보호하는 것은 좋은데 특정 쓰레드가 객체의 락을 가진 상태로 오랜 시간을 보내지 않도록 하는 것도 중요하다. 동기화를 하게 되면 다른 작업들이 원활히 진행되지 않기 때문이다. 따라서, 동기화의 효율을 높이기 위해 wait(), notify()를 사용한다. 이는 Object클래스에 정의되어 있으며, 동기화 블록 내에서만 사용할 수 있다.

wait = 기다리기, notify =  waiting pool에서 대기중인 쓰레드 중의 하나를 깨우기, 통보, 알려주기 , notifyAll = waiting pool에서 대기중인 모든 쓰레드를 깨우기, 통보, 알려주기

 

그런데 wait와 notify의 경우 대기하고 있는 객체들이 여러개일 때 호출되는 대상이 불분명하다. 

이처럼 자신의 차례인데도 원하는 것이 없거나 또는 지독하게 운이 나빠 한 쓰레드가 계속 통지를 받지 못하고 오랫동안 기다리게 되는데 이것을 '기아(starvation) 현상'이라고 한다. 이 현상을 막기위해 notifyAll()을 사용해야 한다. 이것으로 기아현상은 막았지만 불필요하게 많은 쓰레드와 lock을 얻기 위해 경쟁하게 된다. 이를 '경쟁 상태(race condition)'라고 한다. 경쟁 상태를 개선하기 위해 원하는 쓰레드를 구별해서 통지하는 것이 필요한데 이때 Lock과 Condition을 이용한다.

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Lock과 Condition을 이용한 동기화

동기화할 수 있는 방법은 synchronized블럭 외에도 'java.util.concurrent.locks'패키지가 제공하는 lock클래스들을 이용하는 방법이 있다. synchronized블럭으로 동기화를 하면 자동적으로 lock이 잠기고 풀리기 때문에 편리하다. 블럭 내에서 예외가 발생해도 lock을 자동적으로 풀린다. 그러나 때로는 같은 메서드 내에서만 lock을 걸 수 있다는 제약이 불편하기도 하다. 그럴 때 lock클래스를 사용한다. lock클래스들은 수동으로 lock을 잠그고 해제해야 한다. lock클래스의 종류는 다음과 같이 3가지가 있다.

 

• ReentrantLock : 재진입이 가능한 lock, 가장 일반적인 배타 lock

우리가 lock이라고 불러왔던 것으로 특정 조건에서 lock을 풀고 나중에 다시 lock을 얻고 임계영역으로 들어와서 이후의 작업을 수행할 수 있기 때문에 '재진입할 수 있는'이라는 단어가 붙은 것이다. 

 

• ReentrantReadWriteLock : 읽기에는 공유적이고, 쓰기에는 배타적인 lock

ReentrantLock은 다른 것은 배척하고 자기만을 생각하는 배타적인 lock이라서 무조건 lock이 있어야만 임계 영역의 코드를 수행할 수 있지만, ReentrantReadWriteLock는 읽기 lock이 걸려있으면, 다른 쓰레드가 읽기 lock을 중복해서 걸고 읽기를 수행할 수 있다. 읽기는 내용을 변경하지 않기에 동시에 여러 쓰레드가 읽어도 문제가 되지 않는다. 그러나 읽기 lock이 걸린 상태에서 쓰기 lock을 거는 것은 허용되지 않는다. 

 

• StampedLock : ReentrantReadWriteLock에 낙관적인 lock의 기능을 추가

lock을 걸거나 해지할 때 '스탬프(long타입의 정수값)'를 사용하며, 읽기와 쓰기를 위한 lock외에 '낙관적 읽기 lock'이 추가된 것이다. 읽기 lock이 걸려있으면, 쓰기 lock을 얻기 위해서는 읽기 lock이 풀릴 때까지 기다려야하는데 이는 쓰기 lock에 의해 바로 풀린다. 그래서 낙관적 읽기에 실패하면, 읽기 lock을 얻어서 다시 읽어 와야 한다. 무조건 읽기 lock을 걸지 않고, 쓰기와 읽기가 충돌할 때만 쓰기가 끝난 후에 읽기 lock을 거는 것이다.

 

 

다음은 쓰레드를 구분해서 통지할 수 있도록 하는 Condition이다. 원하는 쓰레드 호출을 위한 Condition을 각각 만들어서 waiting pool에서 따로 기다리도록 하는 것이다. ex) 요리사 쓰레드를 위한 Condition, 손님 쓰레드를 위한 Condition

이때는 wait(), notify()대신 Condition의 await()와 signal()을 사용한다. 이로써, 통지의 대상이 명확히 구분할 수 있게 된다.

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volatile

요즘엔 대부분 멀티 코어 프로세서가 장착된 컴퓨터를 사용하며 이는 코어마다 별도의 캐시를 가지고 있다. 코어는 메모리에서 읽어온 값을 캐시에 저장하고 캐시에서 값을 읽어서 작업한다. 다시 같은 값을 읽어올 때는 먼저 캐시에 있는지 확인하고 없을 때만 메모리에서 읽어온다. 그러다보니 도중에 메모리에 저장된 변수의 값이 변경되었는데도 캐시에 저장된 값이 갱신되지 않아서 메모리에 저장된 값이 다른 경우가 발생한다. 그래서 한 변수의 값이 바뀌었는데도 쓰레드가 멈추지 않고 계속 실행되어 원하지 않는 작업이 진행되는 것이다.

이에 변수 앞에 volatile을 붙이면, 코어가 변수의 값을 읽어올 때 캐시가 아닌 메모리에서 읽어오기 때문에 캐시와 메모리간의 값의 불일치가 해결된다. 변수에 volatile을 붙이는 대신에 synchronized블럭을 사용해도 같은 효과를 얻을 수 있다. 쓰레드가 synchronized블럭으로 들어갈 때와 나올 때, 캐시와 메모리간의 동기화가 이루어지기 때문이다.