[JAVA] 20. 쓰레드 Thread

 

1️⃣ 프로세스와 쓰레드 

프로세스 Process란 '실행중인 프로그램'이다. 

프로그램을 실행하면 os 로부터 실행에 필요한 자원(메모리)를 할당받아 프로세스가 된다. 

 

프로세스는 프로그램을 수행하는데 필요한 데이터와 메모리 등의 자원 그리고 쓰레드로 구성되어 있으며, 프로세스의 자원을 이용해서 실제로 작업을 수행하는 것이 바로 쓰레드이다. 

 

모든 프로세스는 최소한 하나 이상의 쓰레드가 존재하고, 둘 이상의 쓰레드를 가진 프로세스를 멀티쓰레드 프로세스라고 한다. 

 

하나의 프로세스가 가질 수 있는 쓰레드의 개수는 제한되어 있지는 않지만 쓰레드가 작업을 수행하는데 개별적인 메모리 공간(호출 스택)을 필요로 하기 때문에 프로세스의 메모리 한계에 따라 생성할 수 있는 쓰레드의 수가 결정된다. 

 

 

- 멀티태스킹과 멀티쓰레딩

현재 우리가 사용하고 있는 윈도우나 유닉스를 포함한 대부분의 os는 멀티태스킹을 지원하기 때문에 여러개의 프로세스가 동시에 실행될 수 있다. 

이와 마찬가지로 멀티쓰레딩은 하나의 프로세스 내에서 여러 쓰레드가 동시에 작업을 수행하는 것이다. 

cpu의 코어가 한번에 단 하나의 작업만 수행할 수 있으므로 실제로 동시에 처리되는 작업의 개수는 코어의 개수와 일치한다. 

 

 

- 멀티쓰레딩의 장단점

멀티쓰레딩의 장점
- cpu의 사용률을 향상시킨다.
- 자원을 보다 효율적으로 사용할 수 있다. 
- 사용자에 대한 응답성이 향상된다.
- 작업이 분리되어 코드가 간결해진다. 

메신저로 채팅하면서 파일을 다운로드 받거나 음성대화를 나눌 수 있는 것이 가능한 이유가 바로 멀티쓰레드로 작성되어 있기 때문이다.

 

만일 싱글쓰레드로 서버 프로그램을 작성한다면 사용자의 요청 마다 새로운 프로세스를 생성해야하는데 프로세스를 생성하는 것은 쓰레드를 생성하는 것에 비해 더 많은 시간과 메모리 공간이 필요하기 때문에 많은 수의 사용자 요청을 서비스하기 어렵다. 

 

그러나 멀티쓰레 프로세스는 여러 쓰레드가 같은 프로세스 내에서 자원을 공유하면서 작업을 하기 때문에 발생할 수 있는 동기화(synchronization), 교착상태(deadlock)와 같은 문제들을 고려해서 신중히 프로그래밍해야한다. 

 

 

 

2️⃣ 쓰레드의 구현과 실행 

쓰레드를 구현하는 방법은 Thread 클래스를 상속하는 방법과 Runnable 인터페이스를 구현하는 방법이 있다.

어느쪽은 선택해도 별 차이는 없지만 Thread를 상속받으면 다른 클래스를 상속받을 수 없기 때문에 Runnable 인터페이스를 구현하는 방법이 일반적이다. 

 

-> Runnable 인터페이스를 구현한 경우에는 Runnable 을 구현한 클래스의 인스턴스를 생성한 다음에 이 인스턴스를 Thread 클래스의 생성자의 매개변수로 제공해야한다. 

 

static Thread currentThread() : 현재 실행중인 쓰레드의 참조를 반환한다.
String getName() : 쓰레드의 이름을 반환한다. 

-> Thread 클래스를 상속받으면, 자손 클래스에서 조상인 Thread클래스의 메서드를 직접 호출할 수 있지만, Runnable 을 구현하면 Thread클래스의 static 메서드인 currentThread()를 호출하여 쓰레드에 대한 참조를 얻어 와야만 호출이 가능하다. 

 

 

- 쓰레드의 실행 start()

쓰레드를 생성했다고 해서 자동으로 실행되는 것은 아니고, strat()를 호출해야만 쓰레드가 실행된다.

근데 start()가 호풀되었다고 해서 바로 실행되는것은 아니고 일단 실행 대기 상태에서 있다가 자신의 차례가 되어야 실행된다. 

 

그리고 한가지 더 알아 두어야 하는 것은 한 번 실행이 종료된 쓰레드는 다시 실행할 수 없다는 것이다.

-> 즉, 하나의 쓰레드에 대해 start()가 한번만 호출될 수 있다.

 

 

3️⃣ start()와 run()

main 메서드에서 run()을 호출하는 것은 생성된 쓰레드를 실행시키는 것이 아니라 단순히 클래스에 선언된 메서드를 호출하는 것일 뿐이다. 

start()는 새로운 쓰레드가 작업을 실행하는데 필요한 호출스택을 생성한 다음에 run()을 호출해서 생성된 호출스택에 run()이 첫번째로 올라가게 한다. 

 

모든 쓰레드는 독립적인 작업을 수행하기 위해 자신만의 호출 스택을 필요로 하기 때문에 새로운 쓰레드를 생성하고 실행시킬 때 마다 새로운 호출 스택이 생성되고 쓰레드가 종료되면 작업에 사용된 호출스택은 소멸된다. 

 

-> 호출 스택의 첫번째 메서드가 main이 아니라 run 이다! 

 

 

 

4️⃣ 싱글쓰레드와 멀티쓰레드  

 

하나의 쓰레드로 두 작업을 처리하는 경우에는 한 작업을 마친 후에 다른 작업을 시작하지만, 두개의 쓰레드로 작업을 하는 경우에는 짧은 시간동안 2개의 쓰레드가 번갈아가면서 작업을 수행해서 동시에 두 작업이 처리되는 것과 같이 느끼게 한다. 

 

근데 위에 그래프를 보면 알 수 있듯이 하나의 쓰레드로 두 개의 작업을 수행한 시간과 두개의 쓰레드로 두개의 작업을 수행한 시간은 거의 같고, 오히려 두개의 쓰레드로 작업한 시간이 싱글쓰레드로 작업한 시간보다 더 걸리게 되는데 그 이유는 쓰레드간의 작업전환에 시간이 걸리기 때문이다. 

 

작업 전환을 할 때는 현재 진행중인 작업의 상태 등의 정보를 저장하고 읽어오는 시간이 소요된다. 

 

싱글쓰레드

 

멀티쓰레드

만약 여기서 두개의 쓰레드가 작업하는데도 더 많이 시간이 걸렸다면 그 이유는 쓰레드가 번갈아가면서 작업을 처리하기 때문에 쓰레드간의 작업전환시간이 소요되기 때문이거나, 한 쓰레드가 화면에 출력하고 있는 동안 다른 쓰레드는 출력이 끝나기를 기다려야하는데 이때 발생하는 대기시간 때문이다. 

 

그리고 위의 결과는 실행할 때 마다 다른 결과를 얻을 수 있는데 그 이유는 실행중인 예제 프로그램(프로세스)이 os의 프로세스 스케줄러의 영향을 받기 때문이다. 

JVM의 쓰레드 스케줄러에 의해서 어떤 쓰레드가 얼마동안 실행될 것인지 결정되는 것과 같이 프로세스도 프로세스 스케줄러에 의해서 실행순서와 실행시간이 결정되기 때문에 순간 상황에 따라 프로세스에게 할당되는 실행시간이 일정하지 않고 쓰레드에게 할당되는 시간 역시 일정하지 않게 된다. 

 

두 쓰레드가 서로 다른 자원을 사용하는 작업의 경우에는 싱글쓰데르보다 멀티쓰레드 프로세스가 훨씬 더 효율적이다. 

 

만일 사용자로부터 입력받는 작업 A와 화면에 출력하는 작업B을 하나의 쓰레드로 처리한다면 첫번째그래프처럼 사용자가 입력을 마칠때까지 아무일도 처리하지 못하고 기다리기만 해야한다.

근데 두개의 쓰레드로 처리한다면 사용자의 입력을 기다리는 동안 다른 쓰레드가 작업을 처리할 수 있기 때문에 보다 효율적으로 cpu의 사용이 가능하다. 

싱글쓰레드

-> 사용자의 입력을 받을 때 까지 아무것도 처리하지 못하고 있음

 

 

멀티쓰레드

-> 싱글쓰레드와는 달리 사용자가 입력을 마치지 않았음에도 화면에 숫자가 출력되는 것을 확인할 수 있다.

 

 

 

5️⃣ 쓰레드의 우선순위 

쓰레드는 우선순위라는 속성을 가지고 있는데, 이 우선순위의 값에 따라 쓰레드가 얻는 실행시간이 달라진다. 

쓰레드가 수행하는 작업의 중요도에 따라 쓰레드의 우선순위가 서로 다르게 지정되어 특정 쓰레드가 더 많은 작업시간을 갖도록 할 수 있다. 

쓰레드가 가질 수 있는 우선순위의 범위는 1 ~ 10이며 숫자가 높을수록 우선순위가 높다.

쓰레드의 우선순위는 쓰레드를 생성한 쓰레드로부터 상속받는다. main메서드를 수행하는 쓰레드는 우선순위가 5이므로 main메서드 내에서 생성하는 쓰레드의 우선순위는 자동적으로 5가 된다. 

 

 

우선순위가 다르면 우선순위가 높은 쓰레드에게 상대적으로 더 많은 양의 실행시간이 주어지고 결과적으로 작업 A 가 작업 B보다 더 빨리 완료 할 수 있다.

 

그러나 쓰레드에 높은 우선순위를 주면 더 많은 실행시간과 실행기회를 갖게 될 것이라고 기대할 수는 없다!

멀티코어라고 해도 os마다 다른 방식으로 스케줄링하기 때문에 어떤 os에서 실행하느냐에 따라 다른 결과를 얻을 수 있다. 

만일 확인한다고 하더라도 os의 스케줄러에 종속적이라 어느정도 예측만 가능한 정도일 뿐 정확히 알 수는 없다.

 

 

6️⃣ 쓰레드 그룹 thread group 

쓰레드 그룹은 서로 관련된 쓰레드를 그룹으로 다루기 위한 것으로, 폴더를 생성해서 관련된 파일들을 함께 넣어서 관리하는 것처럼 쓰레드 그룹을 생성해서 쓰레드를 그룹으로 묶어서 관리할 수 있다.

또한 폴더 안에 폴더를 생성할 수 있듯이 쓰레드 그룹에 다른  쓰레드 그룹을 포함시킬 수 잇다. 

 

쓰레드 그룹은 보안상의 이유로 도입된 개념으로 자신이 속한 쓰레드 그룹이나 하위 쓰레드 그룹은 변경할수 있지만 다른 쓰레드 그룹의 쓰레드를 변경할수는 없다. 

 

쓰레드를 쓰레드 그룹에 포함시키려면 Thread의 생성자를 이용해야 한다. 

모든 쓰레드는 반드시 쓰레드 그룹에 포함되어 있어야 하기 때문에 쓰레드 그룹을 지정하는 생성자를 사용하지 않은 쓰레드는 기본적으로 자신을 생성한 쓰레드와 같은 쓰레드 그룹에 속하게 된다. 

 

자바 애플리케이션이 실행되면 jvm은 main과 system이라는 쓰레드 그룹을 만들고 jvm 운영에 필요한 쓰레드를 생성해서 이 쓰레드 그룹에 포함시킨다.

main 메서드를 수행하는 main이라는 이름의 쓰레드는 main 쓰레드 그룹에 속하고 가비지 컬렉션을 수행하는 Finalizer쓰레드는 system이라는 그룹에 속한다. 

 

 

7️⃣ 데몬 쓰레드 daemon thread 

데몬 쓰레드는 다른 일반 쓰레드(데몬 쓰레드가 아닌 쓰레드)의 작업을 돕는 보조적인 역할을 수행하는 쓰레드이다.

일반 쓰레드가 모두 종료되면 데몬 쓰레드는 강제적으로 자동종료되는데 그 이유는 데몬 쓰레드는 일반 쓰레드의 보조역할을 수행하므로 일반 쓰레드가 모두 종료되고 나면 데몬 쓰레드의 존재도 의미가 없기 때문이다. 

 

ex) 가비지 컬렉터, 워드 프로세서의 자동저장, 화면 자동 갱신 등 

 

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

데몬 쓰레드는 일반 쓰레드의 작성방법과 실행방법이 같고, setDaemon(true)를 호출하기만 하면 된다. 

 

-> 3초마다 변수 autoSave의 값을 확인해서 그 값이 true이면 autoSave()를 호출하는 일을 무한히 반복하도록 쓰레드 작성 

이 쓰레드를 데몬 쓰레드로 작성하지 않았다면 이 프로그램을 강제종료하지 않는 한 종료되지 않을 것이다.

 

 

 

8️⃣ 쓰레드의 실행제어 

-> 여기서 resume(), stop(), suspend()는 쓰레드를 교착상태에 빠지게 만들기 쉬어 deprecated 되었다. 

 

 

- 쓰레드의 상태

1. 쓰레드를 생성하고 start()를 호출하면 바로 실행되는 것이 아니라 실행대기열에 저장되어 자신의 차례가 될 때 까지 기다려야 한다. 

실행대기열은 큐queue와 같은 자료구조로 먼저 실행대기열에 들어온 쓰레드가 먼저 실행된다. 

 

2. 실행대기 상태에 있다가 자신의 차례가 되면 실행상태가 된다. 

 

3. 주어진 실행시간이 다되거나 yeild()를 만나면 다시 실행대기상태가 되고 다음 차례의 쓰레드가 실행상태가 된다. 

 

4. 실행 중에 suspend(), sleep(), wait(), join(), I/O block 에 의해 일시정지상태가 될 수 있다. 

I/O block은 입출력작업에서 발생하는 지연상태를 말한다. 사용자의 입력을 기다리는 경우를 예로 들 수 있는데, 이런 경우 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.