[JAVA] 21. 쓰레드 실행 제어 메서드(sleep ,interrupt, stop, suspend, resume, join, yield)

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[JAVA] 20. 쓰레드 Thread

 

1️⃣  sleep(long mills) : 일정시간동안 쓰레드를 멈추게 한다. 

sleep()에 의해 일시정지 상태가 된 쓰레드는 지정된 시간이 다 되거나 interrupt()가 호출되면 (interruptedException 발생), 잠에서 깨어나 실행대기 상태가 된다. 

그래서 sleep()을 호출할 때는 항상 try-catch문으로 예외를 처리해줘야 한다. 

-> th1이 가장 먼저 종료되고, th2, main 순은로 종료된다.

 왜냐하면 sleep()은 static 메서드로 항상 현재 실행 중인 쓰레드에 대해 작동하기 때문에 실제로 영향을 받는 것은 main메서드를 실행하는 main 스레드이다. 

 

그러므로 sleep()은 static 으로 선언되어 있으며 참조변수를 이용해서 호출하기 보다는 Thread.sleep()과 같이 해야한다. 

 

 

2️⃣  interrupt() 와 interrupted() : 쓰레드의 작업을 취소한다. 

진행중인 쓰레드의 작업이 끝나기전에 취소 시켜야할 때가 있다.

예를 들어 큰 파일을 다운로드 받을 때 시간이 너무 오래걸리면 중간에 다운로드를 포기하고 취소할 수 있어야 한다. 

interrrupt()는 쓰레드에게 작업을 멈추라고 요청한다. 단지 멈추라고 요청만 하는 것일 뿐 쓰레드를 강제로 종료시키지는 못한다. 

 

interrupted()는 쓰레드에 대해 interrupt()가 호출되었는지 알려준다. interrupt()가 호출되지 않았다면 false를, interrupt()가 호출되었다면 true를 반환한다. 

쓰레드가 sleep(), wait(), join()에 의해 일시정지 상태에 있을 때 해당 쓰레드에 대해 interrupt()를 호출하면 sleep(), wait(), join() 에서 interruptException()이 발생하고 쓰레드는 실행대기 상태로 바뀐다. 

-> 즉 멈춰있던 쓰레드를 깨워서 실행 가능한 상태로 만드는 것이다. 

 

 

 

 

3️⃣ suspend(), resume(), stop() 

suspend()는 sleep()처럼 쓰레드를 멈추게 한다. suspend()에 의해 정지된 쓰레드는 resume()로 호출해야 다시 실행대기 상태가 된다.  stop()은 호출되는 즉시 쓰레드가 종료된다. 

suspend(), resume(), stop()은 쓰레드의 실행을 제어하는 가장 손쉬운 방법이지만, suspend()와 stop()이 교착상태를 일으키기 쉽게 작성되어 있으므로 사용하기를 권장하지 않는다. 그래서 이 메서드들은 deprecated되었다. 

-> sleep()은 쓰레드를 2초 멈추게 하지만, 2초 후에 바로 실행상태가 아닌 실행대기 상태가 된다. 

여기서는 간단해서 교착상태가 일어날일이 없기 때문에 suspend()와 stop()을 사용해도 별 문제는 없지만 좀 더 복잡한 경우에는 사용하지 않는 것이 좋다.

 

-> stoppted(), suspended()라는 boolean 타입의 두 변수를 인스턴스 변수로 선언하고, 이 변수를 사용해서 반복문과 조건문의 조건식을 작성한다. 

 

volatile

멀티 코어 프로세서에서는 코어마다 별도의 캐시를 가지고 있기 때문에 문제가 발생할 경우가 있다. 

코어는 메모리에서 읽어온 값을 캐시에 저장하고, 캐시에서 값을 읽어서 작업한다, 다시 같은 값을 읽어올 때는 먼저 캐시에 있는지 확인하고 없을 때만 메모리에서 읽어온다. 

 

그래서 도중에 메모리에 저장된 변수의 값이 변경되었는데도 캐시에 저장된 값이 갱신되지 않아서 메모리에 저장된 값이 다른 경우가 발생한다. 

volatile을 붙이면, 코어가 변수의 값을 읽어올 때 캐시가 아닌 메모리에서 읽어오기 때문에 캐시와 메모리간의 값의 불일치가 해결된다. 

 

 

 

4️⃣ yield() : 다른 쓰레드에게 양보한다. 

yeild()는 쓰레드 자신에게 주어진 실행 시간을 다음 차례의 쓰레드에게 양보한다. 

예를 들어 스케줄러에 의해 1초의 실행 시간을 할당받은 쓰레드가 0.5초의 시간동안 작업을 한 상태에서 yeild()을 호출하면 나머지 0.5초는 포기하고 다시 실행대기 상태가 된다. 

 

yeild()와 interrupt()를 적절하게 사용하면 프로그램의 응답성을 높이고 보다 효율적인 실행이 가능하게 해준다. 

-> suspended 값이 true라면 (잠시 실행을 멈춘 상태라면) 쓰레드는 주어진 실행시간을 그저 whlie문을 의미 없이 돌면서 낭비하게 될 것이다.

이런 상황을 '바쁜 대기상태(busy-waiting)'이라고 한다. 

그러나 yield()를 호출해서 남은 실행시간을 while문에서 낭비하지 않고 다른 쓰레드에게 양보하게 되므로 더 효율적이다. 

 

그리고 suspend(), stop()에서 interrupt()를 호출하는 코드를 추가했다. 

만일 stop()이 호출되었을 때 Thread.sleep(1000)에 의해 쓰레드가 일시정지 상태에 머물러 있는 상황이라면, stopped의 값이 true로 바뀌었어도 쓰레드가 정지될 때 까지 최대 1초 시간 지연이 생길 것이다.

그러나 같은 상황에서 interrupt()를 호출하면 sleep()에서 InterruptedException이 발생해서 즉시 일시정지 상태에서 벗어나게 되므로 응답성이 좋아진다. 

 

 

 

5️⃣ join() - 다른 쓰레드의 작업을 기다린다. 

쓰레드 자신이 하던 작업을 잠시 멈추고 다른 쓰레드가 지정된 시간동안 작업을 수행하도록 할 때 Join()을 사용한다.

시간을 지정하지 않으면 해당 쓰레드가 작업을 모두 마칠 때 까지 기다리게 된다. 

작업중에 다른 쓰레드의 작업이 먼저 수행되어야 할 필요가 있을 때 join()을 사용한다. 

 

join()도 sleep()처럼 interrupt()에 의해 대기상태에서 벗어날 수 있으며, join()이 호출되는 부분을 try-catch문으로 감싸야 한다. 

join()을 사용하지 않았으면 main 쓰레드는 바로 종료되었겠지만, join()으로 쓰레드 th1와 th2의 작업을 마칠 때 까지 main 쓰레드가 기다리도록 했다.

그래서 main 쓰레드가 두 쓰레드의 작업에 소요된 시간을 출력할 수 있다. 

 

 

 

6️⃣ 쓰레드의 동기화 

싱글쓰레드 프로세스의 경우에는 프로세스 내에서 단 하나의 쓰레드만 작업하기 때문에 프로세스의 자원을 가지고 작업하는데 별 문제가 없지만, 멀티쓰레드 프로세스의 경우 여러 쓰레드가 같은 프로세스 내의 작업을 공유해서 작업하기 때문에 서로의 작업에 영향을 주게 된다. 

 

만일 쓰레드A가 작업하던 도중에 다른 쓰레드B에게 제어권이 넘어갔을 때, 쓰레드A가 작업하던 공유 데이터를 쓰레드B가 임의로 변경하였다면, 다시 쓰레드A가 제어권을 받아서 나머지 작업을 마쳤을 때 원래 의도했던 것과는 다른 결과를 얻을 수 있다. 

 

이러한 일이 발생하는 것을 방지하기 위해서 한 쓰레드가 특정 작업을 끝마치기 전까지 다른 쓰레드에 의해 방해받지 않도록 하는 것이 필요하다.

그래서 도입된 개념이 임계영역critical section)과 잠금(lock)이다.

 

공유데이터를 사용하는 코드 영역을 임계 영역으로 지정해놓고, 공유 데이터가 가지고 있는 lock을 획득한 단 하나의 쓰레드만 이 영역 내의코드를 수행할 수 있게 한다. 

그리고 해당 쓰레드가 임계영역내의 모든 코드를 수행하고 벗어나서 lock을 반납해야만 다른 쓰레드가 반납된 lock을 획득해서 임계영역의 코드를 수행할 수 있게 된다. 

 

이처럼 한 쓰레드가 진행 중인 작업을 다른 쓰레드가 간섭하지 못하도록 막는 것을 쓰레드의 동기화라고 한다. 

 

가장 간단한 방법으로는 synchronized 키워드를 사용해서 동기화를 한다. 

- 메서드에 synchronized를 붙이면 메서드 전체가 임계영역으로 설정된다. 

쓰레드는 synchronized 메서드가 호출된 시점부터 해당 메서드가 포함된 객체의 lock을 얻어 작업을 수행하다가 메서드가 종료되면 Lock을 반환한다. 

 

- 메서드 내의 코드 일부를 블럭으로 감싸고 synchronized 를 붙이면 이 블럭 영역안으로 들어가면서부터 쓰레드는 지정된 객체의 lock을 얻게 되고, 이 블럭을 벗어나면 lock을 반납한다.

 

임계영역은 멀티쓰레드 프로그램의 성능을 좌우하기 때문에 가능하면 메서드 전체에 락을 거는 것 보다는 synchonized블럭으로 임계 영역을 최소화해서 보다 효율적인 프로그램이 되도록 노력해야 한다. 

 

동기화 전

-> 여기서 보면 실행 결과가 balance가 음수인 것을 확인할 수 있다. 

이유는 한 쓰레드가 if문의 조건식을 통과하고 출금하기 바로 직전에 다른 쓰레드가 끼어들어 출금을 먼저 했기 때문이다. 

 

예를 들어 한 쓰레드가 if문의 조건식을 계산했을 때는 잔고가 200이고 출금하려는 금액이 100이라서 조건식이 true가 되어서 출금을 수행하려는 순간 다른 쓰레드에게 제어권이 넌ㅁ어가서 다른 쓰레드가 200을 출금해서 잔고가 0이 되었다. 

근데 다시 이전의 쓰레드로 제어권이 넘어오면 if문 다음부터 수행하게 되로 잔고가 0인 상태에서 100을 출금하여 잔고가 결국 -100이 된다. 그래서 잔고를 확인하는 If문과 출금하는 문장은 하나의 임계영역으로 묶어져야 한다.

 

 

-> 이전 예제에서 whthdraw()에 synchronized를 붙이기만 했는데 전과 달리 결과에 음수값이 나타나지 않는다. 

여기서 balance의 접근 제어자가 private 여야 한다. 왜냐하면 private가 아니라면 외부에서 직접 접근할 수 있기 때문에 아무리 동기화를 해도 이 값의 변경을 막을 길이 없다. 

 

 

7️⃣ wait()과 notify() 

synchronized로 동기화해서 공유 데이터를 보호하는 것 까지는 괜찮은데, 특정 쓰레드가 객체의 락을 가진 상태로 오랜 시간 보내지 않도록 하는 것도 중요하다. 

만일 계좌에 출금할 돈이 부족해서 한 쓰레드가 락을 보유한 채로 돈이 입금될 때 까지 오랜 시간을 보낸다면, 다른 쓰레드들은 모두 해당 객체의 락을 기다리느라 다른 작업들도 원할히 진행되지 않을 것이다. 

 

이러한 상황을 개선하기 위해 고안된 것이 바로 wait()과 notify()이다. 

동기화된 임계 영역의 코드를 수행하다가 작업을 더 이상 진행할 상황이 아니면 일단 wait()을 호출하여 쓰레드가 락을 반납하고 기다리게 한다. 

그러면 다른 쓰레드가 락을 얻어 해당 객체에 대한 작업을 수행할 수 있게 된다.

나중에 작업을 진행할수 있는 상황이 되면 notify()를 호출해서 작업을 중단했던 쓰레드가 다시 락을 얻어 작업을 진행할 수 있게 한다. 

 

wait()이 호출되면 실행중이던 쓰레드는 해당 객체의 waiting pool에서 통지를 기다린다. 

notify()가 호출되면 해당 객체의 대기실에 있던 모든 쓰레드에게 통보를 하지만, 그래도 lock을 얻을 수 있는 것은 하나의 쓰레드일 뿐이고, 나머지 쓰레드는 통보를 받긴 했지만, lock을 얻지 못하면 다시 lock을 기다리는 신세가 된다. 

 

기아 현상과 경쟁 상태

지독히 운이 나쁘면 쓰레드는 계속 통보를 받지 못하고 오랫동안 기다리게 되는데 이런 현상을 기아 현상(starvation)이라고 한다. 

그리고 여러 쓰레드가 lock을 얻기 위해서 서로 경쟁하는 것을 경쟁상태(race condition)이라고 하는데 이 경쟁 상태를 개선하기 위해서는 쓰레드를 구별해서 통지하는 것이 필요하다.