JAVA 5주차: 쓰레드

👷 쓰레드(일꾼)

프로세스와 쓰레드

📌 프로세스 vs 쓰레드

프로세스 : 운영체제로부터 자원을 할당받는 작업의 단위

• 쓰레드 : 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위

프로세스

• 실행중인 프로그램을 의미
• OS 위에서 실행되는 모든 프로그램은 OS가 만들어준 프로세스에서 실행됨프로세스
• 
• 구조
  • OS가 프로그램 실행을 위한 프로세스를 할당해줄때 프로세스 안에 프로그램 code와 data 그리고 메모리 영역(stack, heap)을 함께 할당
  1. code 는 java main 메소드와 같은 코드를 의미
  2. data는 프로그램이 실행 중 저장할 수 있는 저장 공간을 의미
     • 전역 변수, 정적 변수(static), 배열 등 초기화된 데이터를 저장하는 공간
  3. memory
     • stack : 지역 변수, 매개변수, 리턴 변수를 저장하는 공간
     • heap : 프로그램이 동적으로 필요한 변수를 저장하는 공간(new(), malloc())

프로세스 들

쓰레드

• 프로세스 내에서 일하는 일꾼 (코드 실행의 흐름)
• 생성
  • 프로세스가 작업 중인 프로그램에서 실행 요청이 들어오면 쓰레드를 만들어 명령을 처리하도록 함
• 자원
  • 프로세스 안에는 여러 쓰레드가 있고, 쓰레드들은 실행을 위한 프로세스 내 주소 공간이나 메모리 공간(heap)을 공유 받음
    • 각각 명령 처리를 위한 자신만의 메모리 공간(stack)도 할당 받음

프로세스 내의 쓰레드

• java 쓰레드
  • 일반 쓰레드와 동일하며 JVM 프로세스 안에서 실행되는 쓰레드
  • Java 프로그램 쓰레드는 java Main 쓰레드부터 실행되며 JVM에 의해 실행됨

java 쓰레드

멀티 쓰레드

java는 메인 쓰레드가 main() 메서드를 실행시키면서 시작됨
- 메인 쓰레드는 필요에 따라서 작업 쓰레드들을 생성해서 병렬로 코드를 실행시킬 수 있음

• 즉, java는 멀티 쓰레드를 지원

• 싱글 쓰레드
  • 프로세스 안에서 하나의 쓰레드만 실행되는 것
• 멀티 쓰레드
  • 프로세스 안에서 여러 개의 쓰레드가 실행되는 것
  • 하나의 프로세스는 여러 개의 실행 단위(쓰레드)를 가질 수 있으며, 이 쓰레드들은 프로세스의 자원을 공유함
  • 장점
    • 여러 개의 쓰레드(실행 흐름)을 통해 여러 개의 작업을 동시에 할 수 있어서 성능이 좋아짐
    • 스택을 제외한 모든 영역에서 메모리를 공유하기 때문에 자원을 보다 효율적으로 사용할 수 있음
    • 응답 쓰레드와 작업 쓰레드를 분리하여 빠르게 응답을 해줄 수 있음 => 비동기
  • 단점
    • 동기화 문제가 발생할 수 있음 => 프로세스의 자원을 공유하면서 작업을 처리하기 때문에 자원을 서로 사용하려고 하는 충돌이 발생하는 경우를 의미
    • 교착 상태(데드락)이 발생할 수 있음 => 둘 이상의 쓰레드가 서로의 자원을 원하는 상태가 되었을 때 서로 작업이 종료되기만을 기다리며 작업을 더 이상 진행하지 못하게 되는 상태

Thread와 Runnable

public class Main {
    public static void main(String[] args) {

        Runnable run = new TestRunnable();
        Thread thread = new Thread(run);

        thread.start();
    }
}

class TestRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i <100; i++) {
            System.out.print("$");
        }
    }
}

• 🙋‍♀️ Thread를 직접 상속받아 사용하지 않고 Runnable 사용?
  • java는 다중 상속을 지원하지 않기 때문에, 인터페이스인 Runnable을 사용하는 것이 확장성에 매우 유리 !!

데몬 쓰레드와 사용자 쓰레드

• 데몬 쓰레드
  • 보이지 않는 곳(background)에서 실행되는 낮은 우선 순위를 가진 쓰레드
  • 보조적인 역할을 담당하며 대표적으로는 가비지 컬렉터(GC)가 있음
• 사용자 쓰레드
  • 보이는 곳(foreground)에서 실행되는 높은 우선 순위를 가진 쓰레드
  • 프로그램 기능을 담당하며 대표적으로는 메인 쓰레드가 있음

쓰레드 상태와 제어

쓰레드 상태

상태	Enum	설명
객체 생성	NEW	쓰레드 객체 생성, 아직 start() 메서드 호출 전의 상태
실행 대기	RUNNABLE	실행 상태로 언제든지 갈 수 있는 상태
일시정지	WAITING	다른 쓰레드가 통지(notify)할 때까지 기다리는 상태
일시정지	TIMED_WAITING	주어진 시간 동안 기다리는 상태
일시정지	BLOCKED	사용하고자 하는 객체의 Lock이 풀릴 때까지 기다리는 상태
종료	TERMINATED	쓰레드의 작업이 종료된 상태

• 제어

쓰레드의 제어

• sleep()
  • Thread.sleep(ms); : ms(밀리초)단위로 설정됨
  • 예외처리 필요 => sleep 상태에 있는 동안 interrupt()를 만나면 다시 실행되기 때문에 InterruptException이 발생할 수 있음
  • 특정 쓰레드를 지목해서 멈추게하는 것은 불가능
• interrupt()
  • Thread 클래스 내부에 interrupted 되었는지를 체크하는 boolean 변수가 존재
  • 쓰레드가 start()된 후 동작하다 interrupt()를 만나 실행하면 interrupted 상태가 true가 됨
  • isInterrupted() 메서드를 사용하면 상태값을 확인 가능
• join()
  • 정해진 시간동안 지정한 쓰레드가 작업하는 것을 기다림
  • 시간을 지정하지 않았을 때는 지정한 쓰레드의 작업이 끝날 때까지 기다림
• yield()
  • 남은 시간을 다음 쓰레드에게 양보하고 쓰레드 자신은 실행대기 상태가 됨
• synchronized

멀티 쓰레드의 경우 여러 쓰레드가 한 프로세스의 자원을 공유해서 작업하기 때문에 서로에게 영향을 줄 수 있음
이로 인해 장애나 버그가 발생할 수 있음

• 이러한 일을 방지하기 위해 한 쓰레드가 진행중인 작업을 다른 쓰레드가 침범하지 못하도록 막는 것을 쓰레드 동기화(synchronized)라고 함
• 동기화를 하려면 다른 쓰레드의 침범을 막아야하는 코드를 임계영역으로 설정하면 됨
• 임계 영역에서 lock을 가진 단 하나의 쓰레드만 출입이 가능 => 즉, 임계 영역은 한 번에 한 쓰레드만 사용 가능

• wait(), notify()
  • wait() : 실행 중이던 쓰레드는 해당 객체의 대기실(waiting pool)에서 통지를 기다림
  • notify() : 해당 객체의 대기실(waiting pool)에 있는 모든 쓰레드 중에서 임의의 쓰레드만 통지를 받음

침범을 막은 코드를 수행하다가 작업을 더 이상 진행할 상황이 아니면, wait()을 호출하여 쓰레드가 lock을 반납하고 기다리게 할 수 있음
- 그럼 다른 쓰레드가 락을 얻어 해당 객체에 대한 작업을 수행할 수 있고,
- 추후에 작업을 진행할 수 있는 상황이 되면 `notify()`를 호출해서,
- 작업을 중단했던 쓰레드가 다시 lock을 얻어 진행할 수 있게 됨

• Lock
  • synchronized 블럭으로 동기화하면 자동적으로 lock 걸리고 풀리지만, 같은 메서드내에서만 lock을 걸 수 있다는 제약이 있음
  • 이런 제약을 해결하기 위해 lock 클래스를 사용함
  • ReentrantLock
    • 재진입 가능한 lock, 가장 일반적인 배타 lock
    • 특정 조건에서 lock을 걸고, 나중에 다시 lock을 얻어 임계영역으로 진입이 가능

  public class MyClass { 
      private Object lock1 = new Object(); 
      private Object lock2 = new Object(); 
  
      public void methodA() { 
          synchronized (lock1) { 
              methodB(); 
          }
      } 
      public void methodB() { 
          synchronized (lock2) {
              // do something 
              methodA(); 
          }
      } 
  }
  
  -   methodA는 lock1을 가지고, methodB는 lock2를 가짐
  -   methodB에서 methodA를 호출하고 있으므로, methodB에서 lock2를 가진 상태에서 methodA를 호출하면 lock1을 가지려고 할 것
  -   그러나 이때, methodA에서 이미 lock1을 가지고 있으므로 lock2를 기다리는 상태가 되어 데드락이 발생할 가능성 있음
  -    하지만, ReetrantLock을 사용하면, 같은 스레드가 이미 락을 가지고 있더라도 락을 유지하며 계속 실행할 수 있기 때문에 데드락이 발생하지 않음
  -   즉, ReetrantLock을 사용하면 코드의 유연성을 높일 수 있음

  • ReetrantReadWriteLock
    • 읽기를 위한 lock과 쓰기를 위한 lock을 따로 제공
    • 읽기에는 공유적이고, 쓰기에는 배타적인 Lock
    • 읽기 lock이 걸려있으면 다른 스레드들도 읽기 lock을 중복으로 걸고 읽기를 수행할 수 있음(read-only)
    • 읽기 lock이 걸려있는 상태에서 쓰기 lock을 거는 것은 허용되지 않음(데이터 변경 방지)
  • StampedLock
    • ReetrantReadWriteLock에 낙관적인 lock의 기능을 추가함
      • 낙관적인 lock : 데이터를 변경하기 전에 lock을 걸지 않는 것. 낙관적인 락은 데이터 변경을 할 때 충돌이 일어날 가능성이 적은 상황에서 사용함
      • 낙관적인 락을 사용하면 읽기와 쓰기 작업 모두가 빠르게 처리됨. 쓰기 작업이 발생했을 때 데이터가 이미 변경된 경우 다시 읽기 작업을 수행하여 새로운 값을 읽어들이고, 변경 작업을 다시 수행함. 이러한 방식으로 쓰기 작업이 빈번하지 않은 경우에는 낙관적인 락을 사용하여 더 빠른 처리가 가능함
    • 낙관적인 읽기 lock은 쓰기 lock에 의해 바로 해제 가능함
    • 무조건 읽기 lock을 걸지 않고, 쓰기와 읽기가 충돌할 때만 쓰기 후 읽기 lock을 검
• Condition
  • wait() & notify() 대신 Condition의 await() & signal()을 사용함
• wait() & notify() 의 문제점인 waiting pool 내 스레드를 구분하지 못한다는 점을 해결하는 것