[Java] Java Multi Thread

Posted 22. January 2021. 15 min read.

Java Interface

10 주차 내용은 멀티쓰레드 프로그래밍에 관련된 내용입니다.

공부할 내용

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

들어가기 앞서.

Process와 Thread의 차이

Process란

  • 단순히 실행 중인 프로그램
  • 사용자가 작성한 프로그램이 OS에 의해 메모리 공간을 할당 받아 실행 중인 것
  • 프로세스는 프로그램에 사용되는 데이터, 메모리, 쓰레드로 구성됩니다.

Thread란

  • 프로세스 내에서 실제로 작업을 수행하는 주체
  • 가장 작은 실행 단위 입니다.
  • 모든 프로세스에서는 1개 이상의 쓰레드가 존재하여 작업을 수행합니다.
  • 두개 이상의 쓰레드를 가지면 멀티 쓰레드 프로세스라고 합니댜.

이 차이를 그림으로 나타내면 다음과 같습니다.

process-thread-diff


Thread 클래스와 Runnable 인터페이스

자바에서 쓰레드를 생성하는 방법은 크게 두가지로 구성됩니다.

  • Thread 클래스를 사용
  • Runnable 인터페이스를 사용

다만, Thread 클래스 Runnable 인터페이스와 차이가 있는 것이 아닌 구현한 클래스이므로, 어떤 것을 적용하는 지의 차이로 볼 수 있습니다. 둘 모두 java.lang 패키지에 포함되어 있습니다..

Thread 클래스

쓰레드의 클래스는 다음과 같이 구성됩니다.

package java.lang;

class Thread implements Runnbale {
    private static native void registerNatives();
    ...
}

이를 사용한 예제 코드는 다음과 같습니다.

public class Example1 extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++){
            System.out.println(i);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

Runnable 인터페이스

Runnable Interface는 다음과 같이 구성됩니다.

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

이를 구현하면 다음과 같습니다.

public class RunnableExample implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
            try{
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

예제 코드를 통한 쓰레드 구현

코드를 구현해보면 다음과 같이 동작하는 것을 알 수 있습니다.

해당 코드와 결과를 보면, 순차적으로 일어나고 있지 않음을 알수 있습니다.

start-example

run() 호출 시에는 그저 메소드 호출의 의미를 가지기 때문에 아래와 같은 결과가 나옵니다.

run-example

start()를 함으로써 쓰레드를 생성하고 각 쓰레드는 각각의 호출스택을 가지게 됩니다.


쓰레드의 상태

Thread의 상태는 크게 6가지로 구성됩니다.

image

이를 하나씩 설명하면 다음과 같습니다.

  • NEW : 쓰레드 인스턴스가 생성은 되었으나 아직 start 하지 않은 상태입니다.
  • RUNNABLE : 쓰레드가 start 한 상태, 동작 가능한 상태임을 의미합니다. (동작 중일 수도 dlT고 아닐 수 도 있습니다.)
  • BLOCKED : Monitor lock을 획득하기 위해 다른 스레드가 락을 풀기를 기다리는 상태입니다.
  • WAITING : 대기상태에 들어간 쓰레드입니다.
  • TIME_WAITING : WAITING과 비슷하지만, 정해진 시간동안 대기시간에 들어갑니다.
  • TERMINATED : 쓰레드가 동작을 완료한 상태입니다.

이를 사용하는 Thread method로는 아래와 같은 함수 들이 있습니다.

  • static void sleep(long millis), static void sleep(long millis, int nanos)

    • 지정된 시간동안 쓰레드를 일시정지시켜 그 시간이 지나면 자동적으로 다시 실행대기상태가 된다.

  • void join(), void join(long millis), void join(long millis, int nanos)

    • 지정된 시간동안 쓰레드가 실행되도록 한다.

  • void interrupt()

    • sleep()이나 join()에 의해 일시정지상태인 쓰레드를 깨워서 실행대기 상태로 만든다.
    • 해당 쓰레드에서는 InterruptedException이 발생함으로써 일시정지상태를 벗어나게 된다.

  • void stop()

    • 쓰레드를 즉시 종료 시킨다.

  • void suspend()

    • 쓰레드를 일시정지시킨다. resume()을 호출하면 다시 실행대기상태가 된다.

  • void resume()

    • suspend()에 의해 일시정지상태에 있는 쓰레드를 실행대기상태로 만든다.

  • static void yield()

    • 실행 중에 자신에게 주어진 실행시간을 다른 쓰레드에게 양보하고 자신은 실행대기상태가 된다.

쓰레드의 우선순위

다중작업을 진행할 때는 멀티쓰레드 방식을 하는데 이 경우는 크게 동시성(Concurrency) 와 병렬성(Parallelism) 으로 나눠집니다.

java-concurrency-parallelism

동시성의 경우는 싱글코어에 멀티 스레드를 번갈아가면서 실행합니다. 병렬성의 경우에는 멀티코어에 개별 스레드를 동시에 실행시킵니다.

우선순위 할당 방식

Java에서는 각 쓰레드는 우선순위에 관한 필드값을 가지고 있고 우선순위에 따라 특정 쓰레드가 더 많은 시간동안 작업을 할 수 있습니다.

쓰레드의 우선 순위는 다음과 같습니다.

  • static int MAX_PROPERTY : 쓰레드가 가질 수 있는 최대 우선순위
  • static int MIN_PROPERTY : 쓰레드가 가질 수 있는 최소 우선순위
  • static int NORM_PROPERTY : 쓰레드가 생성될 때 가지는 기본 우선순위

setPriority() 을 통해서 쓰레드의 우선순위를 변경할 수 있으며, 범위는 1~10 입니다. 번호가 높아질 수록 우선순위가 높으나, 상대적인 순위입니다. (기본은 5로 정의되어 있습니다)

아래의 코드처럼 사용할 수 있으며, 이 결과로 우선순위가 높은 쓰레드가 좀 더 많이 실행됩니다.

public static void main(String[] args){
        Thread threadExample = new ThreadExample();
        Thread runnableExample = new Thread(new RunnableExample());

        runnableExample.setPriority(10);
        threadExample.start();
        runnableExample.start();
    }

순환 할당 방식

할당량(Time Slice)을 정해서 하나의 스레드를 정해진 시간만큼 실행하고 다른 스레드를 실행하는 방식입니다. 이는 JVM에 의해 결정됨으로 임의로 수정이 불가능합니다.


Main 쓰레드

Java에서 main() 메소드는 프로그램의 시작점입니다. 이 main() 메소드 또한 쓰레드에 의해 실행되기 때문에 main 쓰레드라고 하기도 합니다.

해당 코드처럼 로직이 돌아갑니다.

public static void main(String[] args) {    // main thread tart
    ...
}   // main thread end

다만 Main 쓰레드는 싱글 쓰레드인지, 혹은 멀티 쓰레드인지에 따라서도 동작이 다릅니다.

Thread-Diff

싱글 쓰레드 어플리케이션의 경우에는 main thread가 종료되면 프로세스도 종료되지만, 멀티 쓰레드 어플리케이션의 경우에는 main Thread가 종료되더라도 실행중인 thread가 하나라도 있으면 프로세스는 종료되지 않습니다.

Daemon Thread

  • Main 쓰레드의 작업을 돕습니다.
  • Main 쓰레드가 종료되면 보조역할을 하는 Daemon Thread은 강제적으로 종료됩니다.
  • Daemon 쓰레드는 Daemon 쓰레드가 될 쓰레드에 setDaemon(true)를 호출하면 됩니다.
  • 일반적으로 부가적인 작업을 수행할 때, Main 쓰레드가 종료되면 같이 종료되게 하기 위해서 사용합니다.

동기화

멀티 쓰레드의 경우에는 여러 쓰레드가 같은 프로세스 내의 자원을 공유하기 때문에 서로의 작업에 영향을 줄 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 한 쓰레드가 특정 작업을 끝마치기 전까지 다른 쓰레드에 방해받지 않도록 하는 개념이 필요하여 critical section(입계 영역) 과 lock(잠금) 입니다.

공유데이터로 사용하는 코드 영역을 critical section으로 지정하여, lock을 획득한 하나의 쓰레드만 이 영역 내에서 코드를 수행할 수 있게 합니다. 해당 쓰레드가 임계 영역 내에서 모든 코드를 수행하고 나서 lock 을 반납하고 나가야, 다른 쓰레드가 반납된 lock을 얻어 임계 영역의 코드를 수행할 수 있습니다.

이 때 한 쓰레드가 진행중인 작업을 다른 쓰레드가 간섭하지 못하도록 막는 것을 쓰레드의 동기화라고 합니다.

자바에서 동기화하는 방법은 크게 3가지로 분류됩니다.

  • Synchronized
  • Atomic 클래스
  • Volatile 클래스

Synchronized

Java의 예약어 중 하나입니다. 크게 두 가지 방법으로 사용됩니다.

  • synchronized methods : 메소드 자체를 synchronized 키워드로 선언한는 방법
  • synchronized statements ; 메소드 내의 특정 문장을 synchronized로 감싸는 방법

다음과 같이 코드를 짤 수 있습니다. 해당 코드는 결과값을 2개의 쓰레드에서 10000번 더하는 코드입니다.

public class SyncCalculator {
    private int res;

    public SyncCalculator() {
        res = 0;
    }

    public synchronized void plus(int num){
        res += num;
    }

    public synchronized void minus(int num){
        res -= num;
    }

    public int getRes(){
        return res;
    }
}
public class CalcThread extends Thread {
    private SyncCalculator calc;

    public CalcThread(SyncCalculator calc){
        this.calc = calc;
    }

    public void run() {
        for(int i = 0; i<10000; i++)
            calc.plus(1);
    }
}

해당 코드를 실행시키면 결과는 다음과 같습니다.

  • Synchronized 사용시.

image

  • Synchronized 미사용시

image

다음과 같이 Synchronized을 사용하면 동기화가 되는 것을 확인할 수 있습니다.

Atomic 클래스

Atomicity(원자성)의 개념은 쪼갤 수 없는 가장 작은 단위를 의미합니다. 자바의 Atomic Type은 Wrapping 클래스의 일종으로서 CAS(Compare-And-Swap) 알고리즘을 사용해 lock 없이 동기화 처리를 할 수 있습니다.

AtomicBoolean, AtomicInteger 등의 클래스가 있으며 java.util.concurrent.atomic 패키지에 정의된 클래스입니다.

Atomic Method

  • get(), set()

    • 기존 기능과 동일합니다.

  • getAndSet(newValue)

    • atomic하게 값을 업데이트 하고, 원래의 값을 반환합니다.

  • compareAndSet(expect, update)

    • 현재 값이 예상되는 값과 동일하다면, update하고 true을 반환합니다.
    • 현재 값이 예상되는 값이 다르다면, update를 하지않고 false를 반환합니다.
  • 그외에도 여러가지 mehtod가 있습니다.

Compae And Swap(CAS)

  • 현재 주어진 값(현재 쓰레드에서의 데이터)와 실제 데이터가 저장된 데이터를 비교하여 두 개가 일치할 때만 값을 업데이트합니다. 이 역활을 수행하는 method는 compareAndSet 입니다.

Volatile 클래스

Volatile 이란.

  • volatile keyword는 Java 변수를 Main Memory에 저장하겠다는 것을 명시합니다.
  • 변수의 값을 읽을 때, CPU cache에 저장된 것이 아닌 Main Memory에서 읽습니다.
  • 변수의 값을 쓸 때, Main Memory에 작성을 합니다.

Volatile 사용 이유.

volatile 변수를 사용하지 않는 MultiThread 애플리케이션은 작업을 수행하는 동안 성능 향상을 위해서 아래 그림과 같이 Main Memory에서 읽은 변수를 CPU Cache에 저장하게 됩니다.

why-volatile

다만 Multi Thread 환경에서 Thread가 변수 값을 읽어올 때 각각의 CPU Cache에 저장된 값이 달라 변수 값이 다른 수도 있습니다. 이를 가시성 문제라고 합니다.

why-volatile-2

이를 해결하기 위해서 volatile 키워드를 추가하여 해당 문제를 해결합니다. volatile 키워드를 통해 변수의 read/write 를 Main Memory에서 진행하게 됩니다.

public volatile int counter = 0;

다만, CPU Cache보다 Main Memory에서 비용이 더 크기 때문에 변수 값 일치를 보장해야 하는 경우에만 이를 사용합니다.


데드락(Deadlock)

Deadlock 이란.

deadlock

Deadlock이란 둘 이상의 쓰레드가 lock을 획득하기 위해 대기를 하는데, 이 lock을 잡고 있는 쓰레드들 또한 다른 lock을 기다리면서 서로 block 상태에 놓이는 것을 의미합니다.

이러한 Deadlock 상태가 되기 위해서는 4가지 조건을 만족해야합니다.

  • Mutual exclusion(상호배제) : 프로세스들이 필요로 하는 자원에 대해 배타적인 통제권을 요청합니다.
  • Hold and wait(점유대기) : 프로세스가 할당된 자원을 가진 상태에서 다른 자원을 기다립니다.
  • No preemption(비선점) : 프로세스가 어떤 자원의 사용을 끝날 때까지 그 자원을 뺏을 수 없습니다.
  • Circular wait(순환대기) : 각 프로세스는 순환적으로 다음 프로세스가 요구하는 자원을 가지고 있습니다.

Deadlock 해결

이를 해결하는 방법은 크게 3가지(예방, 회피, 무시)로 구성됩니다.

데드락 예방

앞서 이야기한 4가지 조건 중 하나를 제거합니다. 다만 이러한 방법들은 자원 사용의 효율성이 떨어집니다.

데드락 회피

자원이 어떻게 요청될지에 대한 추가정보를 제공하도록 요구하는 것이며, 이를 검사하는 알고리즘을 사용합니다.

  • Resource Allocation Graph Algorithm
  • Banker's Algorithm

데드락 무시

일반적으로 예방과 회피를 사용하면 자연적으로 성능적으로 낮아집니다. 일반적으로 데드락 발생이 드물게 일어나고 그에 대한 코스트가 적다면 무시하는 방법을 선택할 수도 있습니다.

출처

# Java # Stater # Multithread
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