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Thread

1 Multi Thread​

2 Process와 Thread​

2.1 Process​

  • 프로세스란 실행 중인 프로그램이다
  • 프로세스는 종종 프로그램 또는 애플리케이션과 동의어로 간주된다.
    • 그러나 사용자가 단일 애플리케이션으로 인식하는 것은 사실 협력 프로세스 집합일 수 있다.
    • 프로세스 간 통신(IPC)를 통해 프로세스 집합은 서로 통신한다.
  • 프로세스는 독립적이기 때문에 하나의 프로세스에서 오류가 발생해도 다른 프로세스에 영향을 미치지 않는다
  • Process.md

2.2 Thread​

  • 스레드는 사전적 의미로 한 가닥의 실이라는 뜻이다
  • 스레드는 경량 프로세스(lightweight processes)라고도 한다.
  • 프로세스와 스레드는 모두 실행 환경을 제공하지만, 새 스레드를 만드는 것은 새 프로세스를 만드는 것보다 더 적은 리소스를 필요로 한다.
  • 스레드는 프로세스 내에 존재하며, 모든 프로세스에는 하나 이상의 쓰레드가 있다.
    • 하나의 스레드가 예외를 발생시키면 프로세스 자체가 종료될 수 있어 다른 스레드에 양향을 미칠 수 있다
    • 따라서 멀티 스레드에서는 예외 처리를 잘 해야한다.
    • 스레드는 메모리 및 열린 파일을 포함하여 프로세스의 리소스를 공유합니다.
    • 이로 인해 효율적이지만 잠재적으로 동시성 문제가 발생할 수 있다.
  • Threads.md

3 Main Thread​

  • 모든 자바 애플리케이션은 메인 스레드가 main() 메소드를 실행하면서 시작합니다.
    • 자바는 실행 시점에 main 이라는 이름의 스레드를 만들고 프로그램의 시작점인 main() 메서드를 실행합니다.
  • 싱글 스레드 애플리케이션은 메인 스레드가 종료하면 프로세스도 종료된다
  • 멀티 스레드 애플리케이션은 실행 중인 스레드가 하나라도 있으면 프로세스가 종료되지 않는다
    • 메인 스레드가 종료되고 작업 스레드가 실행중인 경우 포함
  • 메인 스레드는 필요에 따라 작업 스레드를 만들어 병렬로 코드를 실행한다.

4 Thread 생성 및 실행​

  • 자바에서는 작업 스레드도 객체로 생성된다
  • Thread 객체 생성 방법
    1. java.lang.Thread 클래스를 객체화해서 사용
    2. executor 를 사용

4.1 Thread 클래스로 생성​

  • 작업 스레드 생성시 스레드가 실행할 코드를 제공해야 한다.
    • 스레드 생성시 생성자의 인자로 Runnable 인터페이스의 구현체가 들어간다.
    • 스레드는 Runnable 인터페이스를 구현한 구현체의 run()메소드를 실행한다.
    • 따라서 작업 스레드를 통해 실행하고자 하는 코드를 Runnable 인터페이스를 구현한 구현체의 run()메소드에 작성하면 된다.
  • 작업 스레드는 생성되는 즉시 실행되는 것이 아니라 start() 메소드를 호출하면 실행된다
    • start()가 호출되면 매개값으로 받은 Runnable의 run() 메소드를 실행하면서 자신의 작업을 처리한다
// 작업 Thread 생성
Thread thread = new Thread();

// 작업 Thread 실행
thread.start();

4.1.1 Runnable 인터페이스​

  • Runnable은 인터페이스 하나의 추상 메소드를 가지고 있다
    • 이 메소드가 스레드가 실행할 코드를 의미한다.
  • Runnable을 구현한 객체가 Thread 생성자의 인자로 들어간다.
@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

Runnable 인터페이스를 직접 구현하는 방식

public class ImplementRunnable implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("ImplementRunnable.run");
    }
}
public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        ImplementRunnable task = new ImplementRunnable();
      	// 작업 Thread 생성
        Thread thread = new Thread(task);
      	// 작업 Thread 실행
        thread.start();
    }
}

Runnable 익명 구현 객체 사용하는 방식

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
      	// 작업 Thread 생성
        Thread thread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("Main.run");
            }
        });
      	// 작업 Thread 실행
        thread.start();
    }
}

Runnable 익명 구현 객체 사용하는 방식: 람다식 이용

  • Runnable은 인터페이스는 Functional Interface이기 때문에 람다 표현식을 사용할 수 있다
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
      	// 작업 Thread 생성
        Thread thread = new Thread(() -> System.out.println("Main.run"));
      	// 작업 Thread 실행
        thread.start();
    }
}

4.1.2 Thread 하위 클래스로부터 생성​

  • 작업 스레드가 실행할 작업을 Runnable로 만들지 않고, Thread의 하위 클래스로 작업 스레드를 정의하면서 작업 내용을 포함시킬 수도 있다.
  • Thread 클래스를 상속한 후 run 메소드를 overriding해서 스레드가 실행할 코드를 작성하면 된다.

하위 클래스 직접 생성

public class WorkerThread extends Thread {
  @Override
  public void run() {
      //스레드가 실행할 코드
  }
}

익명 구현 객체 이용

Thread thread = new Thread() {
  public void run() {
      //스레드가 실행할 코드
  }
}

스레드 실행

thread.start()

4.2 Thread 실행​

  • 스레드 객체를 생성한 다음에 start() 메서드를 호출하면 자바는 스레드를 위한 별도의 스택 공간을 할당합니다.
  • start() 대신 run() 메서드를 직접 호출하면 새로운 스레드가 생성되지 않고 현재 스레드에서 run() 메서드가 실행되니 주의해야 합니다.

5 Daemon Thread​

  • 스레드는 사용자 스레드와 데몬 스레드로 구분됩니다.
  • 사용자 스레드
    • 프로그램의 주요 작업을 수행합니다.
    • 작업이 완료될 때까지 실행됩니다.
    • 모든 user 스레드가 종료되면 JVM도 종료됩니다.
  • 데몬 스레드
    • 백그라운드에서 보조적인 작업을 수행합니다.
    • 모든 user 스레드가 종료되면 데몬 스레드는 자동으로 종료됩니다.
    • JVM은 데몬 스레드의 실행 완료를 기다리지 않고 종료됩니다.

5.1 데몬 스레드 생성​

package thread.start;

public class DaemonThreadMain {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": main() start");
        DaemonThread daemonThread = new DaemonThread();
        daemonThread.setDaemon(true); // 데몬 스레드 여부
        daemonThread.start();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": main() end");
    }
    
    static class DaemonThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": run() start");
            try {
                Thread.sleep(10000); // 10초간 실행
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": run() end");
        }
    }
}

  • setDaemon(true) : 데몬 스레드로 설정합니다.
  • 데몬 스레드 여부는 start() 실행 전에 결정해야 합니다. 이후 변경할 수 없습니다.
  • 기본 값은 false 입니다. (user 스레드가 기본)

6 Thread 정보​

  • Thread 클래스는 스레드를 생성하고 관리하는 기능을 제공한다.
  • Thread 클래스가 제공하는 정보들을 확인해보자.

6.1 getId()​

  • 스레드의 고유 식별자를 반환하는 메서드입니다.
  • 이 ID는 JVM 내에서 각 스레드에 대해 유일합니다.
  • ID는 스레드가 생성될 때 할당되며, 직접 지정할 수 없습니다.

6.2 getName()​

  • 스레드의 이름을 반환하는 메서드입니다.
  • 스레드의 이름은 생성자를 통해 지정할 수 있습니다.
  • 지정하지 않으면 JVM이 자동으로 이름을 부여합니다.
  • 스레드 ID는 중복되지 않지만, 스레드 이름은 중복될 수 있습니다.

6.3 getPriority()​

  • 스레드의 우선순위를 반환하는 메서드입니다.
  • 스레드의 우선순위는 1부터 10까지 지정할 수 있습니다.
  • 기본값은 5입니다.
  • 우선순위가 높을수록 스레드가 CPU를 더 많이 할당받습니다.
  • 실제 우선순위는 JVM의 구현과 운영체제에 따라 다를 수 있습니다.

6.4 getThreadGroup()​

  • 스레드가 속한 스레드 그룹을 반환하는 메서드입니다
  • 스레드 그룹은 스레드를 그룹화하여 관리할 수 있는 기능을 제공합니다.
  • 기본적으로 모든 스레드는 부모 스레드와 동일한 스레드 그룹에 속하게 됩니다.
  • 스레드 그룹은 여러 스레드를 하나의 그룹으로 묶어서 특정 작업(예: 일괄 종료, 우선순위 설정 등)을 수행할 수 있습니다.
  • 스레드 그룹을 직접적으로 사용하는 경우는 드물다.

6.5 getState()​

  • 스레드의 상태를 반환하는 메서드입니다.
  • 스레드의 상태는 NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING, TERMINATED 중 하나입니다.
    • Thread.State 열거형에 정의되어 있습니다.
  • NEW: 스레드가 아직 시작되지 않은 상태입니다.
  • RUNNABLE: 스레드가 실행 중이거나 실행될 준비가 된 상태입니다.
  • BLOCKED: 스레드가 동기화 락을 기다리는 상태입니다.
  • WAITING: 스레드가 다른 스레드의 특정 작업이 완료되기를 기다리는 상태입니다.
  • TIMED_WAITING: 일정 시간 동안 기다리는 상태입니다.
  • TERMINATED: 스레드가 실행을 마친 상태입니다.

7 스레드의 생명 주기​

  • 스레드의 생명 주기는 스레드가 생성되어 실행되고 종료될 때까지의 과정을 의미합니다.
  • 스레드의 생명 주기는 NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING, TERMINATED 여섯 가지 상태로 나눌 수 있습니다.

7.1 NEW​

  • 스레드가 생성되었지만 start() 메서드가 호출되지 않은 상태입니다.

7.2 RUNNABLE​

  • start() 메서드가 호출하면 스레드는 RUNNABLE 상태가 됩니다.
  • RUNNABLE은 실행 중이거나 실행 준비가 된 상태를 의미합니다.
  • 참고로 운영체제 스케줄러의 실행 대기열에 있든, CPU에서 실제 실행되고 있든 모두 RUNNABLE 상태입니다.
  • 따라서 RUNNABLE 상태는 실행 중인 상태(CPU에서 실행 중)와 실행 대기 상태(운영체제 스케줄러 대기열에 있는 상태)를 모두 포함합니다.

7.3 BLOCKED​

  • 스레드가 동기화 블록 또는 메서드에 의해 락을 기다리는 상태입니다.
  • 예를 들어, synchronized 블록에 진입하기 위해 락을 얻어야 하는 경우 이 상태에 들어갑니다.

7.4 WAITING​

  • 스레드가 다른 스레드가 특정 작업을 완료할 때까지 기다리는 상태입니다.
  • wait(), join() 메서드가 호출될 때 이 상태가 됩니다.
  • 스레드는 다른 스레드가 notify() 또는 notifyAll() 메서드를 호출하거나, join() 이 완료될 때까지 기다립니다.

7.5 TIMED_WAITING​

  • 스레드가 특정 시간 동안 다른 스레드의 작업이 완료되기를 기다리는 상태입니다.
  • sleep(long millis) , wait(long timeout) , join(long millis) 메서드가 호출될 때 이 상태가 됩니다.
  • 주어진 시간이 경과하거나 다른 스레드가 해당 스레드를 깨우면 이 상태에서 벗어납니다.
  • 예: Thread.sleep(1000);

7.6 TERMINATED​

  • 스레드의 실행이 완료된 상태이다.
  • 스레드가 정상적으로 종료되거나, 예외가 발생하여 종료된 경우 이 상태로 들어간다.
  • 스레드는 한 번 종료되면 다시 시작할 수 없다.

8 Thread 상태 제어 메소드​

8.1 sleep()​

  • sleep(long millis)를 호출하면 스레드는 주어진 시간 동안 일시 정지 상태가 됩니다.
    • 스레드가 TIMED_WAITING 상태가 됩니다.
  • 주어진 시간이 지나면 자동적으로 RUNNABLE 상태가 됩니다.
  • 일시 정지 상태에서 주어진 시간을 다 기다리기 전에 .interrupt() 메소드가 호출되면 InterruptedException이 발생합니다.
import java.awt.Toolkit;

public class SleepExample {
	public static void main(String[] args) {
		Toolkit toolkit = Toolkit.getDefaultToolkit();
		for(int i=0; i<10; i++) {
			toolkit.beep();
			try {
				Thread.sleep(3000);
			} catch (InterruptedException e) { }
		}
	}
}

8.2 yield()​

  • yield() 메소드를 호출한 스레드는 실행 대기 상태가 되고 우선순위가 동일하거나 높은 다른 스레드에게 실행을 양보한다.
  • 스레드에 무의미한 반복이 있는 시점에 yield() 메소드를 사용하면 성능에 도움이 된다.

8.3 join()​

  • ThreadA가 ThreadB의 결과값을 사용할 경우 ThreadA는 ThreadB가 종료될 때 까지 기다려야한다.
  • 이러한 경우 ThreadA가 threadB.join() 을 호출하면 ThreadB의 run() 메소드가 종료될 때까지 WATING 상태가 됩니다.
  • WATING 상태는 스레드가 다른 스레드의 특정 작업이 완료되기를 무기한 기다리는 상태입니다.
    • join() 을 호출하는 스레드는 대상 스레드가 TERMINATED 상태가 될 때 까지 대기합니다.
    • 대상 스레드가TERMINATED 상태가 되면 호출 스레드는 다시 RUNNABLE 상태가 되면서 다음 코드를 수행합니다.
  • join(long millis)을 호출하면 대상 스레드가 ms 시간이 지나면 호출 스레드는 다시 RUNNABLE 상태가 됩니다.
    • 이 때 join을 호출한 스레드는 TIMED_WAITING 상태가 됩니다.
public class SumThread extends Thread {
	private long sum;

	public long getSum() {
		return sum;
	}

	public void setSum(long sum) {
		this.sum = sum;
	}

	@Override
	public void run() {
		for(int i=1; i<=100; i++) {
			sum += i;
		}
	}
}

public class JoinExample {
	public static void main(String[] args) {
		SumThread sumThread = new SumThread();
		sumThread.start();

		try {
      // sumThread가 종료될 때가지 메인 스레드를 일시 정지시킴
			sumThread.join();
		} catch (InterruptedException e) { }
		
		System.out.println(sumThread.getSum());
	}
}

8.4 interrupt()​

  • 특정 스레드의 인스턴스에 interrupt() 메서드를 호출하면, 해당 스레드에 인터럽트가 발생합니다.
  • 인터럽트가 발생하면 해당 스레드에 InterruptedException 이 발생합니다.
  • 이때 인터럽트를 받은 스레드는 대기 상태에서 깨어나 RUNNABLE 상태가 되고, 코드를 정상 수행합니다.
  • 이때 InterruptedException 을 catch로 잡아서 정상 흐름으로 변경하면 됩니다.
  • 참고로 interrupt() 를 호출했다고 해서 즉각 InterruptedException 이 발생하는 것은 아닙니다.
    • 오직sleep() 처럼 InterruptedException 을 던지는 메서드를 호출 하거나 또는 호출 중일 때 예외가 발생한합니다.
    • 즉 대상 스레드가 WATING, TIMED_WAITING 상태일 때 InterruptedException 이 발생하면서 대상 스레드가 RUNNABLE 상태가 됩니다.

9 Thread Scheduling​

  • Thread Scheduling은 스레드의 개수가 코어의 수보다 많을 경우 스레드를 어떤 순서에 의해 동시성으로 실행할 것인가 결정하는 것
  • 멀티 스레드
    • 동시성(Concurrency): 하나의 코어에서 멀티 스레드가 번갈아가며 실행하는 성질
    • 병렬성(Parallelism): 멀티 코어에서 개별 스레드를 동시에 실행하는 성질
  • 자바의 스레드 스케줄링은 우선순위 방식과 round robin방식을 사용한다.
    • 우선순위 방식
    • 우선순위가 높은 스레드가 실행 상태를 더 많이 가져감
      • 스레드에 우선순위를 부여할 수 있다.
      • 우선순위는 1~10, 10이 가장 높은 우선순위
      • 우선순위 기본값은 5
      • thread.setPriority(10) : 스레드에 우선순위 10 부여
    • round robin방식
    • 시간 할당량 만큼 스레드를 실행하고 다시 다른 스레드를 실행하는 방식
      • JVM에 의해서 순서가 정해져 코드로 제어 불가

10 Synchronization​

  • 스레드는 주로 필드 및 오브젝트 참조 필드에 대한 액세스를 공유하여 통신한다.
  • 이는 매우 효율적인 방법이지만 thread interference 와 memory consistency errors 두가지 문제점이 발생할 수 있다.
  • 이 문제를 해결하는 것이 Synchronization이다.

10.1 Thread Interference​

  • Thread Interference는 여러 스레드가 공유 변수를 사용할 때 스레드의 실행 순서에 따라 결과 값이 달라지는 상황을 의미한다.
  • Thread Interference의 원인
    • 여러 쓰레드가 하나의 공유 변수를 동시에 조작할 때 interleave가 발생

interleave

  • 단일 명령어처럼 보이는 오퍼레이션은 사실 JVM에서는 여러 단계를 거쳐 실행된다.
  • 두개의 스레드가 공유 변수를 동시에 조작에 오퍼레이션의 단계들이 서로 포개지는 현상을 interleave라 한다.

Counter.java

class Counter {
    private int c = 0;

    public void increment() {
        c++;
    }

    public void decrement() {
        c--;
    }

    public int value() {
        return c;
    }

}

interleave 예시

public void increment() {
  c++;
}
  • 위에 c++; 은 단일 오퍼레이션 처럼 보이지만 아래와 같은 단계로 구성되어 있다.
    1. c의 현재 값을 읽는다.
    2. 검색된 값을 1씩 증가시킵니다.
    3. 증가된 값을 다시 c에 저장합니다.
  • c--; 도 위와 비슷하다
  • ThreadA와 ThreadB가 각각 increment()와 decrement()를 호출한다고 해보자
    1. ThreadA: c를 읽는다. (c == 0)
    2. ThreadB: c를 읽는다. (c == 0)
    3. ThreadA: 읽은 값을 1 증가시킨다. (c == 1)
    4. ThreadB: 읽은 값을 1 감소시킨다. (c == -1)
    5. ThreadA: 결과를 c에 저장합니다. (c == 1)
    6. ThreadB: 결과를 c에 저장합니다. (c == -1)
  • 우리가 원하는 최종 결과는 c == 0 이지만 오퍼레이션의 단계들이 interleave되면서 결과는 c == -1이 되었다.

10.2 Memory Consistency Errors​

10.3 Synchronized Methods​

  • Java는 동기화 메소드와 동기화 statements 두 가지 기본 동기화 방식을 제공한다.
  • 메소드를 동기화하려면 메소드 선언에 synchronized 키워드를 추가한다.
  • synchronized 키워드를 사용하면 thread interference와 memory consistency errors를 방지할 수 있다.

Synchronized의 효과

  • 한 스레드가 어떤 객체의 Synchronized 메소드를 호출한 후 다른 스레드가 같은 객체의 임의의 Synchronized 메소드 호출하면 블록된다.
  • synchronized 메소드가 종료될 때 자동적으로 happens-before 관계가 성립한다.
    • 동일한 객체에 대해 synchronized 메소드 호출하면 앞선 스레드가 변화시킨 객체의 상태를 뒤에 스레드가 볼 수 있을 때 첫 번째 스레드와 두 번째 스레드가 happens-before 관계라고 한다.

Synchronized Methods 예시

public class SynchronizedCounter {
    private int c = 0;

    public synchronized void increment() {
        c++;
    }

    public synchronized void decrement() {
        c--;
    }

    public synchronized int value() {
        return c;
    }
}

10.4 Intrinsic Locks​

  • 모든 객체는 intrinsic lock을 가지고 있다.
  • 객체의 필드에 대한 독점적인 접근이 필요한 스레드는 접근하기 전에 객체의 intrinsic lock을 획득하고, 작업이 완료되면 intrinsic lock을 해제해야 한다.
  • 스레드는 lock을 획득하고 해제하는 시간 동안 intrinsic lock을 소유한다고 한다.
  • 한 스레드가 intrinsic lock을 소유하고 있으면 다른 스레드 intrinsic lock을 획득할 수 없다.
    • 다른 스레드는 lock을 획득하려고 할 때 블록된다.
  • 스레드가 lock을 해제하면 그 이후 동일한 lock을 획득하는 스레드와 happens-before 관계가 성립된다.

Locks In Synchronized Methods

  • 스레드가 synchronized 메소드를 호출할 때 자동으로 메소드의 객체에 대한 intrinsic lock을 획득하고 메소드가 반환될 때 이를 해제한다.
    • 예외로 인해 return되는 경우에도 lock이 해제된다.
  • static 메소드는 객체가 아닌 클래스와 연결되기 때문에 이 경우 스레드는 클래스와 연결된 클래스 객체에 대한 intrinsic lock을 획득한다.
    • 따라서 클래스의 static 필드에 대한 액세스는 클래스의 모든 인스턴스에 대한 lock과 구별되는 lock이다.

10.5 Synchronized Statements​

  • 동기화된 코드를 만드는 또 다른 방법은 Synchronized Statements를 사용하는 것이다
  • Synchronized 메소드와 달리 Synchronized Statements는 intrinsic lock을 제공하는 객체를 지정해야한다.

Synchronized Statements 예시

public void addName(String name) {
    synchronized(this) {
        lastName = name;
        nameCount++;
    }
    nameList.add(name);
}

concurrency 향상

  • 위에 코드보다 아래의 코드가 동시 실행에 좋다
  • c1, c2 필드에 대한 연산 c1++, c2++ 이 interleave 되어도 무관한 상황이라 순전히 lock을 위한 객체를 생성
public class MsLunch {
    private long c1 = 0;
    private long c2 = 0;

    public void inc1() {
        synchronized(this) {
            c1++;
        }
    }

    public void inc2() {
        synchronized(this) {
            c2++;
        }
    }
}
public class MsLunch {
    private long c1 = 0;
    private long c2 = 0;
    private Object lock1 = new Object();
    private Object lock2 = new Object();

    public void inc1() {
        synchronized(lock1) {
            c1++;
        }
    }

    public void inc2() {
        synchronized(lock2) {
            c2++;
        }
    }
}

참고