[10주차] 멀티쓰레드 프로그래밍

✏️ Info.

- Process, Thread 학습

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📋 List.

1. 프로세스(Process)란
2. 스레드(Thread)란
3. Thread 클래스와 Runnable 인터페이스
4. 스레드의 상태
5. 쓰레드의 우선순위
6. Main 쓰레드
7. 동기화
8. 데드락

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✔️ Content.

 

1. 프로세스(Process)란

 

• 실행 중인 프로그램
• 운영체제에 의해 메모리 공간을 할당받아 실행 중인 프로그램
• 프로세스는 프로그램에 사용되는 데이터, 메모리 등의 자원 그리고 스레드(Thread)로 구성된다
• 한 개의 CPU에서 사용할 수 있는 프로세스는 하나이다. 

1). 프로세스가 어떻게 동시에 실행되는가?

 

• 멀티 프로세싱(다중처리)
  • 두 개 이상의 CPU를 이용하여 다수의 프로세스를 처리하는 것
• 멀티 태스킹(다중 작업)
  • 같은 CPU 내에서 스케줄링을 통해 여러 개의 프로세스를 처리하는 방식
  • CPU가 빠른 속도로 프로세스의 교체를 통해 동시에 여러 개의 프로세스가 실행되고 있다고 느낀다.

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2. 스레드(Thread)란

 

• 프로세스 내에서 실제로 작업슬 수행하는 주체
• 모든 프로세스에는 한 개 이상의 스레드가 반드시 존재한다.
• 두 개 이상의 스레드를 가지는 프로세스를 멀티 스레드 프로세스라 한다.

 

1). 멀티 스레드(Multi Thread)

 

• 하나의 프로세스 내에서 둘 이상의 스레드(Thread)가 동시에 작업을 수행하는 것
• 각 스레드는 자신이 속한 프로세스 메모리를 공유한다
  • 메모리 공유로 인해 시스템 자원의 낭비가 적다.
• 각각의 스레드가 별도의 작업을 할 수 있어 사용자와의 응답성이 좋다

 

2). 문맥 교환(context switching)

 

컴퓨터에서 동시에 처리할 수 있는 최대 작업 수는 CPU 코어의 개수와 같다

CPU의 코어수보다 더 많은 스레드가 실행되면, 각 코어가 정해진 시간 동안 여러 작업을 번갈아가며 수행한다.

▶ 이때 각 스레드가 서로 교체될 때 스레드 간의 문맥 교환이 발생한다

 

• 문맥 교환이란 현재까지의 작업 상태나 다음 작업에 필요한 각종 데이터를 저장하고 읽어오는 작업
• 문맥 교환에 걸리는 시간이 커질수록, 멀티 스레딩 효율 저하
• 많은 양의 단순 계산은 싱글 스레드로 동작하는 것이 더 효율적일 수 있다.
• 많은 수의 스레드를 실행하는 것이 항상 좋은 성능을 보이지는 않는다.

3). 스레드 그룹(thread group)

 

• 서로 관련이 있는 스레드를 하나의 그룹으로 묶어 다루기 위한 장치
• Java에서는 스레드 그룹을 다루기 위해 ThreadGroup 클래스를 제공
• 다른 스레드 그룹을 포함할 수 있으며, 이러한 스레드 그룹은 트리 형태로 연결된다
• 스레드는 자신이 포함된 스레드 그룹이나 하위 그룹에 접근이 가능하지만, 다른 그룹에는 접근할 수 없다.

 void threadGroup(){
        
        // Thread Group 생성
        ThreadGroup threadGroup = new ThreadGroup("threadGroup");
        // Thread 생성시 Group 전달
        Thread thread = new Thread(threadGroup, "thread");

    }

 

4). 데몬 스레드(Daemon Thread)

 

• 데몬 스레드란 다른 일반 스레드의 작업을 돕는 보조적인 역할을 하는 스레드를 가리킨다.
• 일반 스레드가 종료되면 보조역할을 하는 데몬스레드 역시 자동으로 종료된다.
• 스래드 생성과 실행방법은 일반 스레드와 같다
• 단, 실행 전 setDaemon() 메소드를 호출하여 데몬 스레드로 설정하기만 하면 된다.
• 일정 시간마다 자동으로 수행되는 저장 및 화면 갱신 등에 이용된다.

void daemonThread(){
        
        Thread thread = new Thread();
        thread.setDaemon(true);

    }

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3. Thread 클래스와 Runnable 인터페이스

 

Java에서 스레드를 생성하는 방법에는 두 가지가 있다.

 

1. Runnable 인터페이스를 구현
2. Thread 클래스를 상속

• 두 방법 모두 스레드를 통해 작업하고자 하는 내용을 run() 메소드에 작성하면 된다.
• Trhead 클래스를 상속받으면 다른 클래스를 상속받을 수 없으므로, 일반적으로 Runnable 인터페이스를 구현하는 방법으로 스레드를 구성한다.
• Runnable 인터페이스는 run()메소드 단 하나만을 가지는 간단한 인터페이스

 

1). Runnable

 

• 구현

public class CutomThread implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Implements Runnable Thread()");
    }
}

 

• 테스트
• Runnable은 작업 내용을 가지고 있는 객체이지 실제 스레드가 아니다.
• Runnable을 매개 값으로 해서 Thread 생성자를 호출하면 비로소 스레드가 생성된다.

void runThread2(){
        Runnable runnable = new CutomThread();
        Thread thread = new Thread(runnable);
        thread.start();
    }

 

2). Thread

 

• 구현

class threadExtendThread extends Thread{

    public void run(){
        System.out.println("Extends Thread()");
    }

}

 

• 테스트

void runThread(){
        Thread thread = new threadExtendThread();
        thread.start();
    }

 

3). run(), start()

 

 

run()

• run() 메소드는 단순히 쓰레드에 선언된 함수를 실행하는 메소드이다.
• 실제 쓰레드 실행에는 start() 메소드를 호출해야 한다.

 

start()

• 실제 쓰레드를 호출하는 메소드
• 하나의 쓰레드를 start()를 통해 호출할 경우 재사용 불가능하다.
  • 재사용 시 "IllegalThreadStateException"을 발생한다.

public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new ExtendsThread();
        Thread thread1 = new Thread(new RunThread());

        thread.start();
        thread1.start();
        
        //재사용
        thread.start();

    }

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4. 스레드의 상태

 

1). 스레드 실행

 

• 스레드 객체를 생성하고, start() 메서드를 호출하면 곧바로 스레드가 실행되는 것처럼 보이지만 실제로는 실행 대기 상태가 된다.
  • 실행 대기상태 : 스케쥴링이 되지 않아서 실행을 기다리고 있는 상태
• 실행 대기 상태에 있는 스레드 중 스레드 스케쥴링으로 선택된 스레드가 비로소 CPU를 점유하고 run() 메소드를 실행한다.
  • 이때를 실행(Running) 상태라 한다.
  • 실행 상태의 스레드는 run() 메소드를 모두 실행하기 전에 스레드 스케쥴링에 의해 다시 실행 대기 상태로 돌아갈 수 있다.
  • 다른 실행 대기 상태에 있는 스레드가 스케쥴링에 의해 선택되어 실행상태를 가져간다
• 스레드는 실행 대기 상태와 실행 상태를 번갈아 가면서 자신의 run() 메소드를 조금씩 실행한다.
• 실행 상태에서 run() 메소드가 종료되면, 더 이상 실행할 코드가 없어지기 때문에 스레드의 실행은 멈춘다. 이상태를 종료 상태라 한다.

 

스레드 상태

 

2). 일시 정지

 

• 경우에 따라 스레드는 실행 상태에서 실행 대기 상태로 가지 않을 수도 있다.
• 실행 상태에서 일시 정지 상태로 가기도 하는데, 일시 정지 상태는 스레드가 실행할 수 없는 상태이다.
• 일시 정지 상태에 다음과 같이 있다.
  • WAITING
  • TIMED_WAITING
  • BLOCKED
• 스레드가 다시 실행 상태로 가기 위해서는 일시 정지 상태에서 실행 대기상태로 가야 한다.

 

실행 대기

 

3). 스레드 상태 확인

 

• 스레드의 상태 코드를 확인할 수 있도록 하기 위해 Java 5부터 Thread 클래스에 getState() 메소드가 추가되었다.
• getState()메소드는 스레드 상태에 따라 Thread, state 열거 상수를 리턴한다.

 

상태	열거 상수	설명
객체 생성	NEW	스레드 객체가 생성, 아직 start() 메소드가 호출되지 않은 상태
실행대기	RUNNABLE	실행 상태로 언제든지 갈 수 있는 상태
일시 정지	WAITING	다른 스레드가 통지할 때까지 기다리는 상태
	TIMED_WAITING	주어진 시간 동안 기다리는 상태
	BLOCKED	사용하고자 하는 객체의 락이 풀릴 때까지 기다리는 상태
종료	TERMINATED	실행을 마친 상태

 

4). 스레드 상태 제어

 

스레드 상태 제어

메소드	설명
interrupt()	일시 정지 상태의 스레드에서 InterruptedException 예외를 방샐시켜, 예외처리(catch)코드에서 실행 대기 상태로 가거나 종료 상태로 갈 수 있도록 한다.
notify() notifyAll()	동기화 블록 내에서 wait() 메소드에 의해 일시 정지 상태에 있는 스레드를 실행 대기 상태로 만든다.
resume()	suspend() 메소드에 의해 일시 정지 상태에 있는 스레드를 실행 대기 상태로 만든다.  - Deprecated (notify(), notifyAll() 사용 권장)
sleep(long millis) sleep(long millis, int nanos)	주어진 시간 동안 스레드를 정지 상태로 만든다. 주어진 시간이 지나면 자동적으로 실행 대기 상태가 된다.
join() join(long millis) join(long millis, int nanos)	join() 메소드를 호출한 스레드는 일시 정지 상태가 된다. 실행 대기상태로 가려면, join() 메소드를 멤버로 가지는 스레드가 종료되거나, 매개값으로 주어진 시간이 지나야 한다.
wait() wait(long millis) wait(long millis, int nanos)	동기화(synchronized) 블록 내에서 스레드를 일시 정지 상태로 만든다. 매개값으로 주어진 시간이 지나면 자동적으로 실행 대기 상태가 된다. 시간이 주어지지 않을 경우 notify(), notifyAll() 메소드에 의해 실행 대기 상태로 갈 수 있다.
suspend()	스레드를 일시 정지 상태로 만든다. resume() 메소드를 호출하면 다시 실행 대기 상태가 된다.  - Deprecated (wait() 사용 권장)
yield()	실행 중에 우선순위가 동일한 다른 스레드에게 실행을 양보하고 실행 대기 상태가 된다.
stop()	스레드를 즉시 종료 시킨다.  - Deprecated

 

• Deprecated : 사용 권장하지 않는 메소드
• wait(), notify(), notifyAll() 은 Object 클래스의 메소드, 그 외는 Thread 클래스의 메서드이다.
• wait(), notify(), notifyAll() 은 동기화(synchronized) 메소드 또는 동기화 블록 내에서만 사용 가능하다.

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5. 쓰레드의 우선순위

 

Java에서 각 스레드는 우선순위(priority)에 관한 자신만의 필드를 가지고 있다

이러한 우선순위에 따라 특정 스레드가 더 많은 시간 동안 작업을 할 수 있도록 설정한다.

 

필드	설명
static int MAX_PRIORITY	스레드가 가질 수 있는 최대 우선순위를 명시
static int MIN_PRIORITY	스레드가 가질 수 있는 최소 우선순위를 명시
static int NORM_PRIORITY	스레드가 생성될 때 가지는 기본 우선순위 명시

 

• getPriority(), setPriority() 메소드를 통해 스레드의 우선순위를 반환하거나 변경할 수 있다.
• 우선순위 범위는 1~10까지이다
• 숫자가 높을수록 우선순위가 높다
• 우선순위는 절댓값이 아닌 상대적인 값
  • 우선순위가 10인 스레드가 우선순위 1인 스레드보다 10배 빨리 수행되는 것이 아니다
  • 단지 우선순위가 10인 스레드는 우선순위 1인 스레드보다 좀 더 많이 실행 큐에 포함되며, 좀 더 많은 작업 시간을 할당받는다
• 스레드의 우선순위는 해당 스레드를 생성한 스레드의 우선순위를 상속받는다.

public void run() {
        System.out.println(" == > this Thread extends Thread : " + this.getName() + " : " + Thread.currentThread().getName());
        for(int i = 0; i < 10; i++){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        }
    }
    
    
    
     void test2(){
        Thread thread = new ExtendsThread();
        Thread thread1 = new ExtendsThread();

        // 우선순위 10 설정
        thread1.setPriority(10);

        System.out.println(thread.getPriority());
        System.out.println(thread1.getPriority());

        thread.start();
        thread1.start();
    }

 

• tread, tread1을 생성
• tread1의 우선순위를 10으로 설정

실행결과

Thread-0 : 5
Thread-1 : 10
 == > this Thread extends Thread : Thread-1 : Thread-1
Thread-1
Thread-1
Thread-1
Thread-1
Thread-1
Thread-1
Thread-1
Thread-1
Thread-1
Thread-1
 == > this Thread extends Thread : Thread-0 : Thread-0
Thread-0
Thread-0
Thread-0
Thread-0
Thread-0
Thread-0
Thread-0
Thread-0
Thread-0
Thread-0

 

• thread의 기본 우선순위는 5로 설정되어 있다.
• tread1의 우선순위를 10으로 설정하였기 때문에 thread1이 먼저 실행되고 thread가 나중에 실행됨을 알 수 있다.

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6. Main 쓰레드

 

모든 Java 애플리케이션은 메인 스레드가 main() 메소드를 실행하면서 시작된다.

• 메인 스레드는 main() 메소드의 첫 코드부터 아래로 순차적으로 실행
• main() 메소드의 마지막 코드를 실행하거나 return 문을 만나면 실행 종료
• 메인 스레드는 필요에 따라 작업 스레드들을 만들어서 병렬로 코드를 실행할 수 있다.
  • 즉, 멀티 스레드를 생성해서 멀티 태스킹을 수행한다.
• 싱글 스레드 애플리케이션에서는 메인 스레드가 종료하면 프로세스가 종료된다.
• 멀티 스레드 애플리케이션에는 실행 중인 스레드가 하나라도 있다면 프로세스는 종료되지 않는다.
  • 메인 스레드가 작업 스레드보다 먼저 종료되더라도 작업 스레드가 계속 실행 중이라면 프로세스는 종료되지 않는다.

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7. 동기화

 

멀티 스레드 프로그램에서는 스레드들이 객체를 공유해서 작업해야 하는 경우가 있다.

이 경우, 스레드 A를 사용하던 객체가 스레드 B에 의해 상태가 변경될 수 있기 때문에 스레드 A가 의도했던 것과는 다른 결과를 산출할 수 있다.

예로 여러 사람이 하나의 계산기를 같이 쓰는 상황과 같다. 사람 A가 계산기로 작업하다 계산 결과를 메모리에 저장한 뒤 잠시 자리를 비웠을 때 사람 B가 계산기를 만져서 사람 A가 메모리에 저장한 값을 다른 값으로 변경하는 것 과같다.

 

사람 A, B 스레드 생성

// 사람 A
public class UserA extends Thread{
    private Calculator calculator;

    public UserA(Calculator calculator) {
        this.calculator = calculator;
    }

    @Override
    public void run() {
	    this.setName("사람 A");
        calculator.setMemory(100);
    }
}

// 사람 B
public class UserB extends Thread{
    private Calculator calculator;

    public UserB(Calculator calculator) {
        this.calculator = calculator;
    }
    @Override
    public void run() {
    	this.setName("사람 B");
        calculator.setMemory(50);
    }
}

//계산기
public void setMemory(int memory) {
        this.memory = memory;

        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + this.memory);
    }

실행

void multiThread(){
        Calculator calculator = new Calculator();
        UserA userA = new UserA(calculator);
        UserB userB = new UserB(calculator);


        userA.start();
        userB.start();

        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

결과

 

사람 A
사람 B
사람 B : 50
사람 A : 50

 

스레드가 사용 중인 객체를 다른 스레드가 변경할 수 없도록 하려면 스레드 작업이 끝날 때까지 객체에 잠금을 걸어 다른 스레드가 사용할 수없도록 해야 한다.

• 멀티 스레드 프로그램에서 단 하나의 스레드만 실행할 수 있는 코드 영역을 임계 영역(Critical Section)이라 한다.
• Java는 임계 영역을 지정하기 위해 동기화(Synchronized) 메소드와 동기화 블록을 제공
• 스레드가 객체 내부의 동기화 메소드 또는 블록에 들어가면 즉시 객체에 잠금을 걸어 다른 스레드가 임계 영역 코드를 실행하지 못하도록 한다.
• 동기화 메소드 생성 방법은 메소드 선언에 synchronized 키워드를 붙이면 된다.
• synchronized 키워드는 인스턴스와 정적 메소드 어디든 붙일 수 있다.

 

1). synchronized 메서드

public synchronized void method(){
        //임계 영역, 단 하나의 스레드만 실행
    }

 

2). synchronized 영역

public void methodFiled(){
        // 공유객체 파라미터,공유 객체가 자신이면 this 사용 가능
        synchronized (this){
            //임계 영역, 단 하나의 스레드만 실행
        }
        
        // 그외 여러 스레드가 실행 가능한 영역
        System.out.println("Thread~");
    }

 

synchronzied 사용하여 앞선 계산기 예제에 적용

 

계산기 클래스 setMemory에 synchronzied 적용

public class Calculator {

    int memory;

    public int getMemory() {
        return memory;
    }

    public synchronized void setMemory(int memory) {
        this.memory = memory;

        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + this.memory);
    }
}

 

실행

void multiThread(){
        Calculator calculator = new Calculator();
        UserA userA = new UserA(calculator);
        UserB userB = new UserB(calculator);


        userA.start();
        userB.start();

        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

 

출력

 

사람 A
사람 A : 100
사람 B
사람 B : 50

 

• 사람 A 스레드는 계산기(Calculator) 객체의 동기화 메소드인 setMemory()를 실행하는 순간 Calculator 객체를 잠근다.
• 메인 스레드가 사람 B 스레드를 실행시키지만, 동기화 메소드인 setMemory()를 실행시키지는 못하고 사람 A가 setMemory() 메소드를 모두 실행할 동안 대기한 후 사람 B가 setMemory()를 사용한다.

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8. 데드락

 

데드락( deadlock, 교착 상태) 란 두 개 이상의 작업이 서로 상대방의 작업이 끝나기만을 기다리고 있는 상태.

 

• 서로 상대방 작업이 끝나기 기다리고 있기 때문에 결과적으로 아무것도 완료될 수 없다.
• 교착상태를 일어나려면 다음과 같은 4가지 필요조건을 충족시켜야 한다.
  • 상호 배제(Mutual exclusion) : 프로세스들이 필요로 하는 자원에 대해 배타적인 통제권을 요구한다. ( 임계 영역 )
  • 점유 대기(Hold and wait) : 프로세스가 할당된 자원을 가진 상태에서 다른 자원을 기다린다.
  • 비선점(No preemption) : 프로세스가 어떤 자원의 사용을 끝날 때까지 그 자원을 뺏을 수 없다.
  • 순환 대기(Circular wait) : 각 프로세스는 순환적으로 다음 프로세스가 요구하는 자원을 가지고 있다.
• 위 네 가지 조건중 한 가지라도 만족하지 않으면 교착상태는 발생하지 않는다.
• 순환 대기 조건은 점유 대기 조건과 비선점 조건을 만족해야 성립하는 조건으로, 4가지 조건들은 완전히 독립적인 것은 아니다.

데드락

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❗️ Refer.

출처
- Process, Thread란
http://tcpschool.com/java/java_thread_concept
https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%84%B8%EC%8A%A4

- 쓰레드 우선순위
http://www.tcpschool.com/java/java_thread_concept

- 데드락
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B5%90%EC%B0%A9_%EC%83%81%ED%83%9C

- 그 외
이것이 자바다