[Java] Thread

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요즘 OS는 모두 멀티태스킹을 지원한다.

멀티태스킹이란?

예를 들면, 컴퓨터로 음악을 들으면서 웹서핑도 하는 것

쉽게 말해서 두 가지 이상의 작업을 동시에 하는 것을 말한다.

실제로 동시에 처리될 수 있는 프로세스의 개수는 CPU 코어의 개수와 동일한데, 이보다 많은 개수의 프로세스가 존재하기 때문에 모두 함께 동시에 처리할 수는 없다.

각 코어들은 아주 짧은 시간동안 여러 프로세스를 번갈아가며 처리하는 방식을 통해 동시에 동작하는 것처럼 보이게 할 뿐이다.

이와 마찬가지로, 멀티스레딩이란 하나의 프로세스 안에 여러개의 스레드가 동시에 작업을 수행하는 것을 말한다. 스레드는 하나의 작업단위라고 생각하면 편하다.

스레드 구현

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자바에서 스레드 구현 방법은 2가지가 있다.

1. Runnable 인터페이스 구현

2. Thread 클래스 상속

둘다 run() 메소드를 오버라이딩 하는 방식이다.

public class MyThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 수행 코드
    }
}

public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // 수행 코드
    }
}

스레드 생성

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하지만 두가지 방법은 인스턴스 생성 방법에 차이가 있다.

Runnable 인터페이스를 구현한 경우는, 해당 클래스를 인스턴스화해서 Thread 생성자에 argument로 넘겨줘야 한다.

그리고 run()을 호출하면 Runnable 인터페이스에서 구현한 run()이 호출되므로 따로 오버라이딩하지 않아도 되는 장점이 있다.

public static void main(String[] args) {
    Runnable r = new MyThread();
    Thread t = new Thread(r, "mythread");
}

Thread 클래스를 상속받은 경우는, 상속받은 클래스 자체를 스레드로 사용할 수 있다.

또, Thread 클래스를 상속받으면 스레드 클래스의 메소드(getName())를 바로 사용할 수 있지만, Runnable 구현의 경우 Thread 클래스의 static 메소드인 currentThread()를 호출하여 현재 스레드에 대한 참조를 얻어와야만 호출이 가능하다.

public class ThreadTest implements Runnable {
    public ThreadTest() {}
    
    public ThreadTest(String name){
        Thread t = new Thread(this, name);
        t.start();
    }
    
    @Override
    public void run() {
        for(int i = 0; i <= 50; i++) {
            System.out.print(i + ":" + Thread.currentThread().getName() + " ");
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

스레드 실행

스레드의 실행은 run() 호출이 아닌 start() 호출로 해야한다.

Why?

우리는 분명 run() 메소드를 정의했는데, 실제 스레드 작업을 시키려면 start()로 작업해야 한다고 한다.

run()으로 작업 지시를 하면 스레드가 일을 안할까? 그렇지 않다. 두 메소드 모두 같은 작업을 한다. 하지만 run() 메소드를 사용한다면, 이건 스레드를 사용하는 것이 아니다.

Java에는 콜 스택(call stack)이 있다. 이 영역이 실질적인 명령어들을 담고 있는 메모리로, 하나씩 꺼내서 실행시키는 역할을 한다.

만약 동시에 두 가지 작업을 한다면, 두 개 이상의 콜 스택이 필요하게 된다.

스레드를 이용한다는 건, JVM이 다수의 콜 스택을 번갈아가며 일처리를 하고 사용자는 동시에 작업하는 것처럼 보여준다.

즉, run() 메소드를 이용한다는 것은 main()의 콜 스택 하나만 이용하는 것으로 스레드 활용이 아니다. (그냥 스레드 객체의 run이라는 메소드를 호출하는 것 뿐이게 되는 것..)

start() 메소드를 호출하면, JVM은 알아서 스레드를 위한 콜 스택을 새로 만들어주고 context switching을 통해 스레드답게 동작하도록 해준다.

우리는 새로운 콜 스택을 만들어 작업을 해야 스레드 일처리가 되는 것이기 때문에 start() 메소드를 써야하는 것이다!

start()는 스레드가 작업을 실행하는데 필요한 콜 스택을 생성한 다음 run()을 호출해서 그 스택 안에 run()을 저장할 수 있도록 해준다.

스레드의 실행제어

스레드의 상태는 5가지가 있다

• NEW : 스레드가 생성되고 아직 start()가 호출되지 않은 상태

• RUNNABLE : 실행 중 또는 실행 가능 상태

• BLOCKED : 동기화 블럭에 의해 일시정지된 상태(lock이 풀릴 때까지 기다림)

• WAITING, TIME_WAITING : 실행가능하지 않은 일시정지 상태

• TERMINATED : 스레드 작업이 종료된 상태

스레드로 구현하는 것이 어려운 이유는 바로 동기화와 스케줄링 때문이다.

스케줄링과 관련된 메소드는 sleep(), join(), yield(), interrupt()와 같은 것들이 있다.

start() 이후에 join()을 해주면 main 스레드가 모두 종료될 때까지 기다려주는 일도 해준다.

동기화

멀티스레드로 구현을 하다보면, 동기화는 필수적이다.

동기화가 필요한 이유는, 여러 스레드가 같은 프로세스 내의 자원을 공유하면서 작업할 때 서로의 작업이 다른 작업에 영향을 주기 때문이다.

스레드의 동기화를 위해선, 임계 영역(critical section)과 잠금(lock)을 활용한다.

임계영역을 지정하고, 임계영역을 가지고 있는 lock을 단 하나의 스레드에게만 빌려주는 개념으로 이루어져있다.

따라서 임계구역 안에서 수행할 코드가 완료되면, lock을 반납해줘야 한다.

스레드 동기화 방법

• 임계 영역(critical section) : 공유 자원에 단 하나의 스레드만 접근하도록(하나의 프로세스에 속한 스레드만 가능)

• 뮤텍스(mutex) : 공유 자원에 단 하나의 스레드만 접근하도록(서로 다른 프로세스에 속한 스레드도 가능)

• 이벤트(event) : 특정한 사건 발생을 다른 스레드에게 알림

• 세마포어(semaphore) : 한정된 개수의 자원을 여러 스레드가 사용하려고 할 때 접근 제한

• 대기 가능 타이머(waitable timer) : 특정 시간이 되면 대기 중이던 스레드 깨움

synchronized 활용

synchronized를 활용해 임계영역을 설정할 수 있다.

서로 다른 두 객체가 동기화를 하지 않은 메소드를 같이 오버라이딩해서 이용하면, 두 스레드가 동시에 진행되므로 원하는 출력 값을 얻지 못한다.

이때 오버라이딩되는 부모 클래스의 메소드에 synchronized 키워드로 임계영역을 설정해주면 해결할 수 있다.

//synchronized : 스레드의 동기화. 공유 자원에 lock
public synchronized void saveMoney(int save){    // 입금
    int m = money;
    try{
        Thread.sleep(2000);    // 지연시간 2초
    } catch (Exception e){

    }
    money = m + save;
    System.out.println("입금 처리");

}

public synchronized void minusMoney(int minus){    // 출금
    int m = money;
    try{
        Thread.sleep(3000);    // 지연시간 3초
    } catch (Exception e){

    }
    money = m - minus;
    System.out.println("출금 완료");
}

wait()과 notify() 활용

스레드가 서로 협력관계일 경우에는 무작정 대기시키는 것으로 올바르게 실행되지 않기 때문에 사용한다.

• wait() : 스레드가 lock을 가지고 있으면, lock 권한을 반납하고 대기하게 만듬

• notify() : 대기 상태인 스레드에게 다시 lock 권한을 부여하고 수행하게 만듬

이 두 메소드는 동기화 된 영역(임계 영역)내에서 사용되어야 한다.

동기화 처리한 메소드들이 반복문에서 활용된다면, 의도한대로 결과가 나오지 않는다. 이때 wait()과 notify()를 try-catch 문에서 적절히 활용해 해결할 수 있다.

/**
* 스레드 동기화 중 협력관계 처리작업 : wait() notify()
* 스레드 간 협력 작업 강화
*/

public synchronized void makeBread(){
    if (breadCount >= 10){
        try {
            System.out.println("빵 생산 초과");
            wait();    // Thread를 Not Runnable 상태로 전환
        } catch (Exception e) {

        }
    }
    breadCount++;    // 빵 생산
    System.out.println("빵을 만듦. 총 " + breadCount + "개");
    notify();    // Thread를 Runnable 상태로 전환
}

public synchronized void eatBread(){
    if (breadCount < 1){
        try {
            System.out.println("빵이 없어 기다림");
            wait();
        } catch (Exception e) {

        }
    }
    breadCount--;
    System.out.println("빵을 먹음. 총 " + breadCount + "개");
    notify();
}

조건 만족 안할 시 wait(), 만족 시 notify()를 받아 수행한다.