[이것이 자바다] Ch12. 멀티 스레드

12.1 멀티 스레드 개념

12.1.1 프로세스와 스레드

프로세스?

- 실행 중인 하나의 프로그램

: 하나의 프로그램은 다중 프로세스를 만들기도 함

멀티 태스킹?

: 두 가지 이상의 작업을 동시에 처리하는 것

- 멀티 프로세스: 독립적으로 프로그램을 실행하고 여러 가지 작업 처리

- 멀티 스레드: 한 개의 프로그램을 실행하고 내부적으로 여러 가지 작업 처리

12.1.2. 메인스레드

- 모든 자바 프로그램은 메인 스레드가 main()메소드를 실행하면서 시작됨

- main() 메소드의 첫 코드부터 아래로 순차적으로 실행함

- main() 메소드의 마지막 코드를 실행하거나, return 문을 만나면 실행이 종료됨

- 코드의 실행 흐름 → 스레드

 

메인 스레드는 작업 스레드를 만들어서 병렬로 코드를 실행할 수 있음

즉, 멀티 스레드를 생성해서 멀티 태스킹을 수행함

프로세스의 종료

- 싱글 스레드: 메인 스레드가 종료하면 프로세스도 종료됨

- 멀티 스레드: 실행 중인 스레드가 하나라도 있다면, 프로세스는 종료되지 않음

12.2 작업 스레드 생성과 실행

- 몇 개의 작업을 병렬로 실행할지 결정

12.2.1 Thread 클래스로부터 직접 생성

class Task implements Runnable {
    public void run() {
    	스레드가 실행할 코드;
    }
}

12.2.2 Thread 하위 클래스로부터 생성

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

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

12.2.3. 스레드의 이름

- 메인 스레드 이름: main

- 작업 스레드 이름: Thread-n

thread.getName();

- 작업 스레드의 이름 변경

thread.setName("스레드 이름");

- 코드를 실행하는 스레드의 참조 얻기

Thread thread = Thread.currentThread();

12.3. 스레드 우선 순위

- 동시성

: 멀티 작업을 위해 하나의 코어에서 멀티 스레드가 번갈아 가며 실행하는 성질

- 병렬성

: 멀티 작업을 위해 멀티 코어에서 개별 스레드를 동시에 실행하는 성질

스레드 스케쥴링

스레드의 개수가 코어의 수보다 많을 경우

- 스레드 스케쥴링? 

:스레드를 어떤 순서로 동시성으로 실행할 것인가를 결정하는 것

- 스레드 스케쥴링에 의해 스레드들은 번갈아 가면서 그들의 run() 메소드를 조금씩 실행

자바의 스레드 스케쥴링

우선순위 방식과 순환 할당 방식을 사용

우선순위 방식(코드로 제어 가능)

: 우선 순위가 높은 스레드가 실행 상태를 더 많이 가지도록 스케쥴링하는 방식

순환 할당 방식(코드로 제어할 수 없음)

: 시간 할당량을 정해서 하나의 스레드를 정해진 시간만큼 실행하는 방식

스레드 우선 순위

- 스레드들이 동시성을 가질 경우, 우선적으로 실행할 수 있는 순위

- 우선 순위는 1(낮음)에서부터 10(높음)까지로 부여

: 모든 스레드들은 기본적으로 5의 우선 순위를 할당

 

우선 순위 효과

- 싱글 코어의 경우

: 우선 순위가 높은 스레드가 실행 기회를 더 많이 가지기 때문에 우선 순위가 낮은 스레드보다 계산 작업을 빨리 끝냄

- 멀티 코어의 경우

: 쿼드 코어 경우에는 4개의 스레드가 병렬성으로 실행될 수 있기 때문에, 4개 이하의 스레드를 실행할 경우, 우선 순위 방식은 크게 영향을 미치지 못함

: 최소한 5개 이상의 스레드가 실행되어야 우선 순위의 영향을 받음

12.4 동기화 메소드와 동기화 블록

12.4.1 공유 객체를 사용할 때의 주의할 점

- 멀티 스레드가 하나의 객체를 공유하므로 해서 생기는 오류

12.4.2. 동기화 메소드 및 동기화 블록

- 공유 객체를 사용할 때의 문제점을 해소할 수 있음

- 단 하나의 스레드만 실행할 수 있는 메소드 또는 블록을 말함

- 다른 스레드는 메소드나 블록 실행이 끝날 때까지 대기해야 함

 

동기화 메소드

public synchronized void method() {
    임계 영역;
}

 

동기화 블록

public void method() {
    synchronized(공유 객체) {
        임계영역
    }
}

12.5 스레드 상태

상태	열거 상수	설명
객체 생성	NEW	스레드 객체가 생성, 아직 start() 메소드가 호출되지 않은 상태
실행 대기	RUNNABLE	실행 상태로 언제든지 갈 수 있는 상태
일시 정지	BLOCKED	사용하고자 하는 객체의 락이 풀릴 때까지 기다리는 상태
	WAITING	다른 스레드가 통지할 때까지 기다히는 상태
	TIMED_WAITING	주어진 시간 동안 기다리는 상태
종료	TERMINATED	실행을 마친 상태

12.6 스레드 상태 제어

상태 제어

- 실행 중인 스레드의 상태를 변경하는 것을 말함

- 상태 변화를 가져오는 메소드의 종류

12.6.1 주어진 시간동안 일시 정지 sleep()

12.6.2 다른 스레드에게 실행 양보 yield()

12.6.3 다른 스레드의 종료를 기다림 join()

12.6.4 스레드 간 협업 wait(), notify(), notifyAll()

12.6.5 스레드의 안전한 종료 stop플래그, interrupt()

 

12.7 데몬 스레드

- 주 스레드의 작업을 돕는 보조적인 역할을 수행하는 스레드

- 주 스레드가 종료되면 데몬 스레드는 강제적으로 자동 종료

: 워드프로세서의 자동저장, 미디어플레이어의 동영상 및 음악 재생, 가비지 컬렉터

 

- 데몬스레드 설정

: 주 스레드가 데몬이 될 스레드의 setDeamon(true)를 호출

: 반드시 start() 메소드 호출 전에 setDaemon(true)를 호출해야 함

: 그렇지 않으면 IllegalThreadException이 발생

 

- 데몬 스레드 확인 방법

: isDaemon() 메소드의 리턴값을 조사

12.8 스레드 그룹

스레드 그룹

- 관련된 스레드를 묶어서 관리할 목적으로 이용

- 스레드 그룹은 계층적으로 하위 스레드 그룹을 가질 수 있음

 

자동 생성되는 스레드 그룹

: system 그룹: JVM 운영에 필요한 스레드들을 포함

: system/main 그룹 - 메인 스레드를 포함

 

스레드는 반드시 하나의 스레드 그룹에 포함

: 기본적으로 자신을 생성한 스레드와 같은 스레드 그룹에 속하게 됨

: 명시적으로 스레드 그룹에 포함시키지 않으면 기본적으로 system/main 그룹에 속함

스레드 그룹 이름 얻기

ThreadGroup group = Thread.currentThread.getThreadGroup();
String groupName = group.getName();

12.9 스레드풀

스레드 폭증

- 병렬 작업 처리가 많아지면 스레드의 개수가 증가

- 스레드 생성과 스케쥴링으로 인해 CPU가 바빠지고, 메모리 사용량이 늘어남

- 따라서 애플리케이션의 성능이 급격히 저하됨

스레드 풀

- 작업 처리에 사용되는 스레드를 제한된 개수만큼 미리 생성

- 작업 큐에 들어오는 작업들을 하나씩 스레드가 맡아서 처리함

- 작업 처리가 끝난 스레드는 작업 결과를 애플리케이션으로 전달

- 스레드는 다시 작업큐에서 새로운 작업을 가져와 처리함

ExecutorService 인터페이스와 Executor 클래스

- 스레드 풀을 생성하고 사용할 수 있도록 java.util.concurrent 패키지에서 제공

- Executors의 정적 메소드를 이용해서 ExecutorService 구현 객체 생성

- 스레드 풀 = ExecutorService 객체

스레드풀 생성

: 다음 두 가지 메소드 중 하나로 간편 생성

메소드명(매개변수)	초기 스레드 수	코어 스레드 수	최대 스레드 수
newCachedThreadPool()	0	0	Integer.MAX_VALUE
newFixedThreadPool(int nThreads)	0	nThreads	nThreads

코어 스레드 수: 제거하지 않고 유지해야 하는 최소한의 스레드 수

newCachedThreadPool()

- int 값이 가질 수 있는 최대 값만큼 스레드가 추가되나, 운영체제의 상황에 따라 달라짐

- 1개 이상의 스레드가 추가되었을 경우 (작업량이 줄거나~),

  60초 동안 추가된 스레드가 아무 작업을 하지 않으면 추가된 스레드를 종료하고 풀에서 제거함

newFixedThreadPool(int nThreads)

- 코어 스레드 개수와 최대 스레드 개수가 매개값으로 준 nThread

- 스레드가 작업을 처리하지 않고 놀고 있더라도, 스레드 개수가 줄지 않음

ThreadPoolExecutor을 이용한 직접 생성

- 앞의 두 메소드가 내부적으로 생성

- 스레드의 수를 자동으로 관리하고 싶을 경우 직접 생성해서 사용함

스레드풀 종료

스레드풀의 스레드는 기본적으로 데몬 스레드(주 스레드가 종료되면 자동적으로 종료되는 것)가 아님

: 메인 스레드가 종료되더라도 스레드풀의 스레드는 작업을 처리하기 위해 계속 실행되므로 애플리케이션은 종료되지 않음

: 따라서, 스레드풀을 종료해서 모든 스레드를 종료시켜야 함

 

스레드풀 종료 메소드

1. shutdown()

: 현재 처리 중인 작업뿐만 아니라, 작업큐에 대기하고 있는 모든 작업을 처리한 뒤 스레드풀 종료시킴

2. shutdownNow()

: 현재 작업 처리 중인 스레드를 interrupt해서 작업 중지를 시도하고 스레드풀을 종료시킴

: 리턴값은 작업큐에 있는 미처리된 작업의 목록

: 가급적이면 안 사용하는 것이 좋음

3. awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)

: shutdown() 메소드 호출 이후, 모든 작업 처리를 타임아웃 시간 내에 완료하면 true를 리턴

: 완료하지 못하면 작업 처리 중인 스레드를 중지 시킨 뒤 false리턴

작업 생성

- 하나의 작업은 Runnable 또는 Callable 객체로 표현함

- 둘의 차이점?

: 작업 처리 완료 후 리턴값의 존재 유무 (Callable이 리턴값이 있음)

- 스레드풀에서 작업 처리

: 작업 큐에서 객체를 가져와 스레드로 하여금 run()과 call() 메소드를 실행하도록 하는 것

작업 처리 요청

- 작업큐에 러너블 또는 콜러블 객체를 넣는 행위

- 작업 처리 요청을 위해 다음 두 가지 종류의 메소드를 제공함

1. execute

: 러너블 작업 큐에 저장

: 작업 처리 결과를 받지 못함

2. submit

: 러너블 또는 콜러블을 작업큐에 저장

: 리턴 Future을 통해 작업 처리 결과를 얻을 수 있음

 

- 작업 처리 도중 예외가 발생할 경우?

1. execute

: 스레드 자체가 종료되고, 해당 스레드는 제거됨

  따라서, 스레드풀은 다른 작업 처리를 위해 새로운 스레드를 생성함

2. submit

: 스레드가 종료되지 않고 다음 작업을 위해 재사용 됨

블로킹 방식의 작업 완료 통보 받기

블로킹 방식?

: 무언가를 요청하고 난 뒤 요청의 결과가 올 때까지 기다리는 방식

 

Future

- submit의 리턴값

- 작업 결과가 아니라 지연 완료 객체

- 작업이 완료될 때까지 기다렸다가 최종 결과를 얻기 위해서 get() 메소드 사용

 

1. get()

: 작업이 완료될 때까지 블로킹되었다가 처리 결과를 리턴

2. get(long timeout, TimeUnit unit)

: timeout 시간동안 작업이 완료되면 결과 리턴, 완료되지 않으면 TimeoutException을 발생시킴

 

- Future의 get()은 UI스레드에서 호출하면 안됨

: UI를 변경하고 이벤트를 처리하는 스레드가 get() 메소드를 호출하면

  작업을 완료하기 전까지는 UI를 변경할 수도 없고 이벤트도 처리할 수 없음

 

- 다른 메소드

리턴 타입	메소드명(매개변수)	설명
boolean	cancel(boolean mayInterruptIfRunning)	작업 처리가 진행 중일 경우 취소 시킴
boolean	isCancelled()	작업이 취소되었는지 여부
boolean	isDone()	작업 처리가 완료되었는지 여부

작업 처리 결과를 외부 객체에 저장

https://www.youtube.com/watch?v=FZH877svsLg&list=PLVsNizTWUw7FPokuK8Cmlt72DQEt7hKZu&index=134

작업 완료 순으로 통보 받기

작업 요청 순서대로 작업 처리가 완료되는 것은 아님!

- 작업의 양과 스레드 스케쥴링에 따라 먼저 요청한 작업이 나중에 완료되는 경우도 발생함

- 여러 개의 작업들이 순차적으로 처리될 필요성이 없고, 처리 결과도 순차적으로 이용할 필요가 없다면,

  작업 처리가 완료된 것부터 결과를 얻어 이용하는 것이 좋음

 

스레드 풀에서 작업 처리가 완료된 것만 통보받는 방법

- poll()과 take() 메소드

 

1. poll() 완료된 작업의 Future을 가져오고, 완료된 작업이 없다면 즉시 null 리턴

2. poll(long timeout, TimeUnit unit) 완료된 작업의 Future을 가져오고, 없다면 timeout까지 블로킹 됨

3. take() 완료된 작업의 Future을 가져오고, 완료된 작업이 없다면 있을 때까지 블로킹

완료된 작업 통보 받기

- take() 메소드를 반복 실행해서 완료된 작업을 계속 통보받을 수 있도록 함

executorService.submit(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        while(true) {
            try {
                Future<Integer> future = completionService.take();
                int value = future.get();
                System.out.println("처리 결과: " + value);
            } catch (Exception e) {
                break;
            }
        }
    }
});

콜백 방식의 작업 완료 통보 받기

- 콜백이란?

애플리케이션이 스레드에게 작업 처리를 요청한 후 다른 기능을 수행할 동안

스레드가 작업을 완료하면 애플리케이션의 메소드를 자동 실행하는 기법

이때 자동 실행되는 메소드를 콜백 메소드라고 함

 

블로킹(Future 객체 이용) vs. 콜백(자동적으로 호출)

콜백 객체와 콜백 하기

콜백 객체: 콜백 메소드를 가지고 있는 객체

콜백하기: 스레드에서 콜백 객체의 메소드 호출