[Java] 멀티쓰레드 프로그래밍

👩‍🚀 목표

자바의 멀티쓰레드 프로그래밍에 대해 학습하세요.

👩‍💻 학습할 것

• Thread 클래스와 Runnable 인터페이스
• 쓰레드의 상태
• 쓰레드의 우선순위
• Main 쓰레드
• 동기화
• 데드락

 

 

멀티 태스킹 Multi-tasking

여러 개의 애플리케이션을 동시에 실행 👉 컴퓨터 시스템의 성능을 높임.

 

멀티 쓰레딩 Multi-threading

하나의 애플리케이션 안에서도 여러가지 작업을 동시에 하는 것

멀티 쓰레딩의 장점

• CPU의 사용률을 향상시킨다.
• 자원을 보다 효율적으로 사용할 수 있다.
• 사용자에 대한 응답성이 향상된다.
• 작업이 분리되어 코드가 간결해진다.

멀티 쓰레딩의 단점

• 동기화 synchronization 
• 교착상태 deadlock : 무한 대기
• 기아 starvation : 우선순위가 낮아서 원하는 자원을 계속 할당받지 못하는 상태

 

프로세스 process

• 실행 중인 프로그램
• 자원 + 쓰레드
• 독자적으로 실행이 가능한 환경을 가진다.
• 프로그램을 실행하면 OS로부터 필요한 자원(메모리)를 할당받아 프로세스가 된다.
• 모든 프로세스에는 최소한 하나 이상의 쓰레드가 존재한다.
• 멀티쓰레드 프로세스 multi-threaded process : 둘 이상의 쓰레드를 가진 프로세스

 

쓰레드 thread

• 각각의 작업
• 프로세스 안에서 존재
• 메모리와 파일을 포함하여 프로세스의 모든 자원을 공유
• 모든 자바 애플리케이션은 적어도 하나의 thread를 가지고 있다.
• main thread라고 부르는 하나의 스레드로 출발한다.

 

 

Thread 클래스와 Runnable 인터페이스

쓰레드 생성하는 방법은 두가지가 있다.

1. Thread 클래스 상속

Thread 클래스를 상속받으면 다른 클래스를 상속받을 수 없다.

 

1. Thread를 상속받아 클래스를 작성한다.

2. run()  메소드를 재정의한다.

3. Thread 객체를 생성한다.

4. start()를 호출해서 쓰레드를 시작한다.

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

 

2. Runnable 인터페이스 구현

다른 클래스를 상속 받을 수 있기 때문에 보통 Runnable 인터페이스를 구현한다.

재사용성이 높다.

코드의 일관성을 유지할 수 있기 때문에 보다 보다 객체지향적인 방법이다.

 

1. Runnable 인터페이스를 구현한 클래스를 작성한다.

2. run() 메소드를 작성한다.

3. Thread 객체를 생성하고 이때 아까 구현한 클래스 객체를 인수로 전달한다.

4. start()를 호출해서 쓰레드를 시작한다. 

class MyThread implements Runnable {
    public void run() { /* 작업내용 */ }  // Runnable 인터페이스의 run() 구현
}

 

Runnable 인터페이스

run() 만 정의되어 있는 간단한 인터페이스다.

public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

 

쓰레드 구현 & 실행

public class ThreadTest{
    public static void main(String args[]){
        InheritedThread thread1 = new InheritedThread();
        InheritedThread thread2 = new InheritedThread();


        Runnable r = new RunnableThread();
        Thread thread3 = new Thread(r);
        Thread thread4 = new Thread(r);

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
        thread4.start();
    }

}

class InheritedThread extends Thread {
    public void run() {
        for(int i=0; i<5; i++){
            System.out.println(getName());
        }
    }
}

class RunnableThread implements Runnable {
    public void run() {
        for(int i=0; i<5; i++){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        }
    }
}

매번 결과가 다르다.

Thread-0
Thread-0
Thread-0
Thread-0
Thread-0
Thread-2
Thread-2
Thread-2
Thread-2
Thread-2
Thread-1
Thread-1
Thread-1
Thread-1
Thread-1
Thread-3
Thread-3
Thread-3
Thread-3
Thread-3

Process finished with exit code 0

 

 

 

start( )

실행대기 상태에 있다가 자신의 차례가 되면 실행한다.

하나의 쓰레드에 대해 start( )가 한 번만 호출될 수 있다.

두 번 이상 호출시 IllegalThreadStateException이 발생한다.

 

sleep(long millis)

지정된 시간 동안 쓰레드를 일시정지 시킨다.

지정된 시간이 지나고 나면, 자동적으로 다시 실행대기가 된다.

 

void join( )

지정된 시간동안 실행되도록 한다.

 

void interrupt( )

sleep( ) 이나 join( ) 에 의해 일시정지 상태인 쓰레드를 깨워서 실행 대기 상태로 만든다.

 

static void yield( )

실행 중에 자신에게 주어진 실행 시간을 다른 쓰레드에게 양보하고 자신은 실행대기 상태가 된다.

 

void stop()

쓰레드를 즉시 종료시킨다.

deprecated

 

void suspend( )

쓰레드를 일시정지 시킨다.

resume( )을 호출하면 다시 실행대기 상태가 된다.

deprecated

 

void resume( )

suspend( )에 의해 일시정지상태에 있는 쓰레드를 실행대기 상태로 만든다.

deprecated

 

 

쓰레드의 상태

NEW

쓰레드가 생성되고 아직 start()가 호출되지 않은 상태

RUNNABLE

실행 중이거나 실행 가능한 상태

BLOCKED

동기화 블럭에 의해서 일시정지된 상태

lock이 풀릴 때까지 기다리는 상태

WAITING/TIMED_WAITING

쓰레드의 작업이 종료되지는 않았지만

실행가능하지 않은 일시정지상태

TIMED_WAITING : 일시정지 시간이 지정된 경우 의미

TERMINATED

쓰레드의 작업이 종료된 상태

 

1. 쓰레드 생성하고 start( )가 호출하면 바로 실행되지 않고,
    실행 대기열에 저장되어 자신의 차례가 될 때까지 기다려야 한다.

    실행대기열은 큐 Queue 같은 구조로 먼저 실행 대기열에 들어온 쓰레드가 먼저 실행된다.

2. 실행대기상태에 있다가 자신의 차례가 되면 실행 상태가 된다.

3. 주어진 실행시간이 다 되거나 yeild( )를 만나면 다시 실행대기상태가 되고,

     다음 차례의 쓰레드가 실행 상태가 된다.

4. 실행중에 suspend( ), sleep( ), wait( ), join( ), I/O block에 의해 일시정지 상태가 될 수 있다.

     I/O block은 입출력작업에서 발생하는 지연 상태를 말한다.

    사용자의 입력을 기다리는 경우를 예로 들수 있다. → 일시정지 상태에 있다가 사용자가 입력을 마치면 다시 실행대기 상태가 된다.

5. 지정된 일시정지시간이 다되거나(time-out), notify( ), resume( ), interrupt( )가 호출되면,

     일시정지 상태를 벗어나 다시 실행대기열에 저장되어 자신의 차례를 기다리게 된다.

6. 실행을 모두 마치거나 stop( )이 호출되면 쓰레드는 소멸된다.

 

 

 

쓰레드의 우선순위

쓰레드는 우선순위 priority라는 속성을 가지고 있다.

이 우선순위의 값에 따라 쓰레드가 얻는 실행시간이 달라진다.

쓰레드가 수행하는 작업의 중요도에 따라 쓰레드의 우선순위를 서로 다르게 지정하여,

특정 쓰레드가 더 많은 작업시간을 갖도록 할 수 있다.

 

쓰레드 우선순위 지정하기

• 쓰레드가 가질 수 있는 우선순위의 범위는 1~10이다.
• 숫자가 높을수록 우선순위가 높다.
• 쓰레드의 우선순위는 쓰레드를 생성한 쓰레드로부터 상속받는다.
• main메서드를 수행하는 쓰레드는 우선순위가 5이므로 main()  내에서 생성하는 쓰레드의 우선순위는 자동적으로 5가 된다.

public class MyThread implements Runnable {
    void setPriority(int newPriority)		// 쓰레드의 우선순위를 지정한 값으로 변경
    int getPriority()						// 쓰레드의 우선순위를 반환

    public static final int MAX_PRIORITY = 10    // 최대 우선순위
    public static final int MIN_PRIORITY = 1    // 최소 우선순위
    public static final int NORM_PRIORITY = 5   // 보통 우선순위
}

 

 

 

Main 쓰레드

main( )의 작업을 수행하는 쓰레드

프로그램이 실행하면 기본적으로 하나의 쓰레드를 생성하고 그 쓰레드가 main 메서드를 호출하여 작업을 수행되도록 한다.

main 메서드가 수행을 마치면 프로그램이 종료되지만

main 메서드가 수행을 마쳤다 하더라도 다른 쓰레드가 아직 작업을 마치지 않은 상태라면 프로그램이 종료되지 않는다.

실행 중인 사용자 쓰레드가 하나도 없을 때 프로그램이 종료된다.

 

 

 

데몬 쓰레드

• 데몬 쓰레드가 아닌 일반 쓰레드의 작업을 돕는 보조적인 역할을 수행하는 쓰레드이다.
• 데몬 쓰레드는 강제적으로 자동 종료된다.
• 일반 쓰레드의 보조 역할을 수행하므로 일반 쓰레드가 모두 종료되면 데몬 쓰레드의 존재가 의미없기 때문이다.
• 예로 가비지 컬렉터, 워드 프로세서의 자동저장, 화면 자동 갱신 등이 있다.
• 무한 루프와 조건문을 이용해서 실행 후 대기하고 있다가 특정 조건이 만족되면 작업을 수행하고 다시 대기하도록 작성한다.

public void run() {
	while(true) {
    	try {
        	Thread.sleep(3 * 100)
        } catch(InterruptedException e) {}
    	
        if(autoSave) autoSave();
    }
}

 

boolean isDaemon()

쓰레드가 데몬 쓰레드인지 확인한다.

데몬 쓰레드이면 true를 반환한다.

 

void setDeamon(boolean on)

쓰레드를 데몬 쓰레드 또는 사용자 쓰레드로 변경한다.

매개변수 on의 값을 true로 지정하면 데몬 쓰레드가 된다.

start()가 호출되기 전에 실행되어야 한다.

그렇지 않으면 IllegalThreadStateException이 발생한다.

 

 

 

동기화 synchronization

멀티 쓰레드 프로세스의 경우,

여러 쓰레드가 같은 프로세스 내의 자원을 공유해서 작업하기 때문에 서로의 작업에 영향을 주게된다.

원래 의도했던 것과 다른 결과를 얻을 수 있다.

이런 일을 방지하기 위해 한 쓰레드가 특정 작업을 끝마치기 전까지 다른 쓰레드에 의해 방해받지 않도록 하는 것이 필요하다.

 

동기화란,

공유된 자원 중에서 동시에 사용하면 안되는 자원을 보호하는 도구이다.

공유 데이터를 사용하는 코드 영역을 임계 영역으로 지정해놓고,

공유 데이터(객체)가 가지고 있는 lock를 획득한 단 하나의 쓰레드만 이 영역 내의 코드를 수행할 수 있게 한다.

해당 쓰레드가 임계 영역 내의 모든 코드를 수행하고 벗어나서 lock를 반납해야만

다른 쓰레드가 반납된 lock를 획득하여 임계 영역의 코드를 수행할 수 있다. 

 

1. 메서드 전체를 임계 영역으로 지정

• 메서드 앞에 synchronized를 붙인다.
• 메소드 전체가 임계 영역으로 설정된다.
• 쓰레드는 synchronized 메서드가 호출된 시점부터 해당 메서드가 포함된 객체의 lock을 얻어 작업을 수행하고
• 메서드가 종료되면 lock를 반환한다.

public synchronized void calcSum {
	// 임계 영역
}

 

2. 특정한 영역을 임계 영역으로 지정

• 메서드 내의 코드 일부를 블럭 { } 으로 감싸고 블럭 앞에 synchronized를 붙인다.
• 이때 참조변수는 lock을 걸고자 하는 객체를 참조하는 것이어야 한다.
• 이 블럭을 synchronized 블럭이라고 부르며,
• 이 블럭 영역 안으로 들어가면서부터 쓰레드는 지정된 객체의 lock을 얻게되고, 이 블럭을 벗어나면 lock를 반환한다.

synchronized(객체의 참조변수){
	// 임계 영역
}

 

 

Lock

• 모든 객체는 lock을 하나씩 갖고 있다.
• 해당 객체의 lock을 가지고 있는 쓰레드만 임계 영역의 코드를 수행할 수 있다.
• 다른 쓰레드들은 lock을 얻을 때까지 기다리게 된다.
• 임계 영역은 멀티쓰레드 프로그램의 성능을 좌우하기 때문에,
• 가능하면 메서드 전체에 락을 거는 것보다 synchronized 블럭으로 임계 영역을 최소화해서 보다 효율적인 프로그램이 되도록 해야한다.

 

 

 

데드락 DeadLock

• 교착 상태
• 한 자원을 여러 시스템이 사용하려고 할 때 발생
• 둘 이상의 쓰레드가 lock을 획득하기 위해 대기중인데 lock을 잡고있는 쓰레드들도 똑같이 다른 lock를 기다리면서 서로 block 상태에 놓인 상태
• 서로 상대방의 작업이 끝날 때까지 기다리는 무한 대기 상태

 

데드락 발생조건

네가지 조건이 동시에 성립될 때 발생

 

1. 상호 배재 Mutual exclusion

• 자원은 한 번에 한 프로세스만이 사용할 수 있어야 한다.

2. 점유 대기 (Hold and wait)

• 최소한 하나의 자원을 점유하고 있으면서 다른 프로세스에 할당되어 사용하고 있는 자원을 추가로 점유하기 위해 대기하는 프로세스가 있어야 한다.

3. 비선점 (No preemption)

• 다른 프로세스에 할당된 자원은 사용이 끝날 때까지 강제로 빼앗을 수 없어야 한다.

4. 순환 대기 (Circular wait)

• 프로세스의 집합 {P0, P1, ,…Pn}에서 P0는 P1이 점유한 자원을 대기하고 P1은 P2가 점유한 자원을 대기하고 P2…Pn-1은 Pn이 점유한 자원을 대기하며 Pn은 P0가 점유한 자원을 요구해야 한다.

 

 

 

 

참조

10주차 과제: 멀티쓰레드 프로그래밍

남궁성, 자바의 정석 기초편, 도우출판, 2019

천인국, 어서와 JAVA는 처음이지!, INFINITYBOOKS, 2015

https://jwprogramming.tistory.com/12