[Java] 스레드 (Thread)
생성과 실행, 스레드의 이름, 동기화, 상태와 실행 제어
프로세스(Process)와 스레드(Thread)
프로세스는 실행 중인 애플리케이션을 의미한다.
애플리케이션을 실행하면 운영체제로부터 실행에 필요한 만큼의 메모리를 할당받아 프로세스가 된다.
프로세서는 데이터, 컴퓨터 자원, 스레드로 구성되는데, 스레드는 데이터와 애플리케이션이 확보한 자원을 활용하여 소스 코드를 실행한다.
즉, 스레드는 하나의 코드 실행 흐름이라고 볼 수 있다.
메인 스레드
자바 애플리케이션을 실행하면 가장 먼저 실행되는 메서드는 main 메서드이며, 메인 스레드가 main 메서드를 실행시켜 준다.
멀티 스레드
하나의 프로세스는 여러 개의 스레드를 가질 수 있으며, 이를 멀티 스레드 프로세스라 한다.
여러 개의 스레드를 가진다는 것은 여러 스레드가 동시에 작업을 수행할 수 있음을 의미하며, 이를 멀티 스레딩이라고 한다.
작업 스레드 생성과 실행
메인 스레드 외에 별도의 작업 스레드를 활용한다는 것은, 작업 스레드가 수행할 코드를 작성하고, 작업 스레드를 생성하여 실행시키는 것을 의미한다.
run() 이라는 메서드 내에 스레드가 처리할 작업을 작성하도록 규정되어 있다.
run() 메서드는 Runnable 인터페이스와 Thread 클래스에 정의되어 있다.
Runnable 인터페이스
public class ThreadExample1 {
public static void main(String[] args) {
}
}
// Runnable 인터페이스를 구현하는 클래스
class ThreadTask1 implements Runnable {
public void run() {
}
}
public class ThreadExample1 {
public static void main(String[] args) {
Runnable task1 = new ThreadTask1();
Thread thread1 = new Thread(task1);
// 작업 스레드를 실행시켜, run() 내부의 코드를 처리하도록 합니다.
thread1.start();
}
}
class ThreadTask1 implements Runnable {
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.print("#");
}
}
}
Thread 클래스
public class ThreadExample2 {
public static void main(String[] args) {
}
}
// Thread 클래스를 상속받는 클래스 작성
class ThreadTask2 extends Thread {
public void run() {
}
}
public class ThreadExample2 {
public static void main(String[] args) {
ThreadTask2 thread2 = new ThreadTask2();
// 작업 스레드를 실행시켜, run() 내부의 코드를 처리하도록 합니다.
thread2.start();
// 반복문 추가
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.print("@");
}
}
}
class ThreadTask2 extends Thread {
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.print("#");
}
}
}
Runnable 인터페이스와 Thread 클래스 차이점
자바 다중 상속의 한계
자바에서 클래스는 하나의 클래스만 상속할 수 있다.
그렇기 때문에 이미 다른 클래스를 상속한 경우에는 Thread 클래스를 상속할 수 없다.
Runnable은 인터페이스이므로 클래스가 다른 클래스를 상속한 상태에서도 사용할 수 있다.
코드 재사용성과 유연성
Runnable은 인터페이스이므로 여러 클래스에서 구현할 수 있다.
이것은 코드의 재사용성과 유연성을 높일 수 있다.
다양한 작업을 수행하는 스레드가 필요한 경우, Runnable을 구현하는 다양한 클래스를 만들어 사용할 수 있다.
스레드 풀 사용
스레드 풀을 사용하는 경우 Runnable 객체를 스레드 풀에 제출하는 것이 일반적이다.
스레드 풀은 Runnable 작업을 큐에 넣고 필요할 때 스레드를 할당하여 실행한다.
가독성
Runnable을 사용하면 작업 내용과 스레드 실행을 분리할 수 있으므로 코드가 더 가독성이 높아진다.
Runnable은 스레드 생성과 실행을 명확하게 분리하는 방법으로 코드를 구조화 하는데 도움이 된다.
따라서 Runnable은 특히 상속이 불가능한 상황이나 다중 작업을 관리하는 데 더 좋은 선택일 수 있다.
Runnable 익명 객체 사용
public class ThreadExample1 {
public static void main(String[] args) {
// 익명 Runnable 구현 객체를 활용하여 스레드 생성
Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.print("#");
}
}
});
thread1.start();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.print("@");
}
}
}
Thread 익명 하위 객체 사용
public class ThreadExample2 {
public static void main(String[] args) {
// 익명 Thread 하위 객체를 활용한 스레드 생성
Thread thread2 = new Thread() {
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.print("#");
}
}
};
thread2.start();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.print("@");
}
}
}
스레드의 이름
public class ThreadExample4 {
public static void main(String[] args) {
Thread thread4 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
System.out.println("Set And Get Thread Name");
}
});
thread4.start();
System.out.println("thread4.getName() = " + thread4.getName());
thread4.setName("Demuu");
System.out.println("thread4.getName() = " + thread4.getName());
}
}
// 출력
// thread4.getName() = Thread-0
// thread4.getName() = Demuu
스레드의 이름은 .getName()으로 조회할 수 있고, .setName()으로 설정할 수 있다.
스레드 인스턴스 주소값 얻기
실행 중인 스레드의 주소값을 사용해야 하는 상황이 발생한다면 Thread 클래스의 정적 메서드인 currentThread() 를 사용하면 된다.
public class ThreadExample1 {
public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
}
});
thread1.start();
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
}
}
// 출력
// main
// Thread-0
스레드 동기화
멀티스레드 환경에서 여러 스레드가 공유 데이터 또는 리소스에 접근할 때 발생할 수 있는 문제를 해결하기 위한 기술이다.
동기화는 다수의 스레드가 동시에 공유 데이터를 변경하거나 접근하지 못하도록 조절하는 메커니즘을 제공한다.
스레드 동기화는 주의 깊은 계획과 구현이 필요하며, 오버헤드와 데드락과 같은 부작용을 유발할 수 있으므로 신중하게 사용해야 한다.
또한, 최근에는 락프리(Lock-Free) 및 웨이트프리(Wait-Free)알고리즘 등의 동기화 없는 기법도 발전하고 있으므로 상황에 따라 고려해야 한다.
임계 영역 : 오로지 하나의 스레드만 코드를 실행할 수 있는 코드 영역
락 : 임계 영역을 포함하고 있는 객체에 접근할 수 있는 권한
스레드의 동기화가 필요한 이유
경쟁조건 (Race Condition) 방지
여러 스레드가 동시에 공유 데이터를 읽고 쓸 때, 예측할 수 없는 결과가 발생할 수 있다.
동기화를 통해 이러한 경쟁 조건을 방지할 수 있다.
데드락 방지
두 개 이상의 스레드가 서로의 작업이 끝나기를 기다리면서 상호 대기 상태에 빠지는 상황인 데드락을 방지한다.
메모리 일관성 보장
동기화는 스레드 간에 메모리 일관성을 보장하며, 캐시된 데이터를 갱신하여 모든 스레드에 반영될 수 있도록 한다.
스레드 안전성 확보
스레드 동기화를 통해 여러 스레드가 동시에 객체의 메서드를 호출하더라도 안전하게 수행되도록 보장한다.
동기화를 구현하는 주요 방법들
synchronized 키워드
자바에서는 메서드나 블록에 synchronized 키워드를 사용하여 동기화를 구현할 수 있다.
이를 통해 한 번에 하나의 스레드만 해당 블록 또는 메서드에 접근할 수 있다.
Lock 인터페이스
java.util.concurrent.locks 패키지에서 Lock 인터페이스와 그 구현체인 ReentrantLock을 제공한다.
이를 사용하여 더 정밀한 도이고하를 구현할 수 있다.
wait()과 notify() / notifyAll() 메서드
스레드 간 통신과 동기화를 위해 wait()과 notify() 또는 notifyAll() 메서드를 사용할 수 있다.
이를 통해 스레드를 일시 정지시키고 다른 스레드에게 상태 변경을 알릴 수 있다.
동기화 블록
synchronized 블록을 사용하여 특정 코드 블록을 동기화할 수 있다.
이는 메서드 전체가 아니라 필요한 부분만 동기화할 수 있도록 한다.
메서드 전체를 임계 영역으로 지정
class Account {
...
public synchronized boolean withdraw(int money) {
if (balance >= money) {
try { Thread.sleep(1000); } catch (Exception error) {}
balance -= money;
return true;
}
return false;
}
}
withdraw() 가 호출되면, withdraw()를 실행하는 스레드는 withdraw()가 포함된 객체의 락을 얻으며, 해당 스레드가 락을 반납하기 이전에 다른 스레드는 해당 메서드의 코드를 실행하지 못하게 된다.
특정한 영역을 임계 영역으로 지정
class Account {
...
public boolean withdraw(int money) {
synchronized (this) {
if (balance >= money) {
try { Thread.sleep(1000); } catch (Exception error) {}
balance -= money;
return true;
}
return false;
}
}
}
특정 영역을 임계 영역으로 지정하려면 sychronized 키워드와 함께 소괄호 안에 해당 영역이 포함된 객체의 참조를 넣고, 중괄호로 블록을 열어, 블록 내에 코드를 작성하면 된다.
스레드 상태와 실행 제어
start()는 스레드를 실행시키는 메서드가 아닌 실행 대기 상태로 만들어주는 메서드이다.
sleep()
스레드를 잠시 멈춘다.
static void sleep(long milliSecond)
try { Thread.sleep(1000); } catch (Exception error) {}
sleep()에 의해 일시 정지된 스레드는 인자로 전달한 시간만큼의 시간이 경과한 경우, interrupt() 를 호출한 경우에 실행 대기 상태로 복귀한다.
interrupt()
sleep(), wait(), join()에 의해 일시 정지된 스레드들을 실행 대기 상태로 복귀시킨다.
void interrupt()
yield()
다른 스레드에 실행을 양보한다.
static void yield()
운영 체제의 스케줄러에 의해 3초를 할당받은 스레드 A가 1초 동안 작업을 수행하다가 yield()를 호출하면 남은 실행 시간 2초는 다음 스레드에 양보된다.
public class YieldExample {
public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(new MyRunnable("Thread 1"));
Thread thread2 = new Thread(new MyRunnable("Thread 2"));
thread1.start();
thread2.start();
}
}
class MyRunnable implements Runnable {
private String name;
public MyRunnable(String name) {
this.name = name;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println(name + ": " + i);
// 현재 스레드가 실행을 양보하고 다른 스레드에게 CPU 실행 기회를 주기 위해 yield() 호출
Thread.yield();
}
}
}
join()
다른 스레드의 작업이 끝날 때까지 기다린다.
void join()
void join(long milliSecond)
join()을 호출한 스레드는 일시 중지 상태가 된다. (sleep()과 유사)
try … catch 문으로 감싸서 사용해야 한다.
interrupt()에 의해 실행 대기 상태로 복귀할 수 있다.
sleep()과 join()의 차이점은 sleep()은 Thread 클래스의 static 메서드이다.
반면, join()은 특정 스레드에 대해 동작하는 인스턴스 메서드이다.
public class ThreadExample {
public static void main(String[] args) {
SumThread sumThread = new SumThread();
sumThread.setTo(10);
sumThread.start();
// 메인 스레드가 sumThread의 작업이 끝날 때까지 기다립니다.
try { sumThread.join(); } catch (Exception e) {}
System.out.println(String.format("1부터 %d까지의 합 : %d", sumThread.getTo(), sumThread.getSum()));
}
}
class SumThread extends Thread {
private long sum;
private int to;
public long getSum() {
return sum;
}
public int getTo() {
return to;
}
public void setTo(int to) {
this.to = to;
}
public void run() {
for (int i = 1; i <= to; i++) {
sum += i;
}
}
}
wait(), notify()
스레드 간 협업에 사용된다.
wain() : 스레드를 일시 중지하고, 다른 스레드에게 실행 기회를 양도한다.
notify() : 대기 중인 스레드 중 하나를 깨운다.
public class WaitNotifyExample {
public static void main(String[] args) {
final SharedObject sharedObject = new SharedObject();
Thread thread1 = new Thread(() -> {
for (int i = 1; i <= 5; i++) {
sharedObject.printOdd(i);
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
for (int i = 2; i <= 10; i += 2) {
sharedObject.printEven(i);
}
});
thread1.start();
thread2.start();
}
}
class SharedObject {
private boolean isOddTurn = true;
public synchronized void printOdd(int num) {
while (!isOddTurn) {
try {
wait(); // 짝수의 차례일 때는 대기
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
System.out.println("Odd: " + num);
isOddTurn = false;
notify(); // 다른 스레드에게 실행 기회 양보
}
public synchronized void printEven(int num) {
while (isOddTurn) {
try {
wait(); // 홀수의 차례일 때는 대기
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
System.out.println("Even: " + num);
isOddTurn = true;
notify(); // 다른 스레드에게 실행 기회 양보
}
}
SharedObject 클래스의 printOdd와 printEven 메서드에서 wait()와 notify()를 사용하여 두 스레드 간에 번갈아가며 숫자를 출력하도록 동기화 한다.
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