[10주차 과제] 멀티스레드

Thread 클래스와 Runnable 인터페이스

쓰레드의 상태

쓰레드의 우선순위

Main 쓰레드

동기화

데드락

0. Process와 Thread

1. Process

실행 중인 하나의 애플리케이션
사용자가 애플리케이션을 실행하면 운영체제로부터 실행에 필요한 메모리를 할당받아 애플리케이션의 코드를 실행한다

멀티 태스킹 (multi tasking)

두 가지 이상의 작업을 동시에 처리하는 것을 의미
운영체제는 멀티 태스킹을 할 수 있도록 CPU 및 메모리 자원을 프로세스마다 적절히 할당해주고, 병렬로 실행시킨다
ex) 워드로 문서 작업을 하면서 동시에 유튜브 뮤직을 이용해 음악을 들을 수 있다
멀티 태스킹은 꼭 멀티 프로세스를 뜻하지는 않음
한 프로세스 내에서 멀티 태스킹을 할 수 있도록 만들어진 애플리케이션도 있는데,
- 하나의 프로세스가 어떻게 두 작업을 동시에 처리할 수 있을까?
- **멀티 스레드 (multi thread)**를 이용하면 가능하다

2. Thread

하나의 코드 실행 흐름
한 가지 작업을 실행하기 위해 순차적으로 실행할 코드를 실처럼 이어놓았다고 해서 유래된 이름

Multi Process 와 Multi Thread

[출처] : https://www.geekboots.com/story/multiprocessing-vs-multithreading

멀티 프로세스 (multi process)

애플리케이션 단위의 멀티 태스킹
운영체제에서 할당받은 자신의 메모리를 가지고 실행하기 때문에 서로 독립적이다
하나의 프로세스에서 오류가 발생해도 다른 프로세스에게 영향을 미치지 않는다

멀티 스레드 (multi thread)

애플리케이션 내부에서의 멀티 태스킹
하나의 프로세스 내부에 생성된다
하나의 스레드가 예외를 발생시키면 프로세스 자체가 종료될 수 있어서 다른 스레드에게 영향을 미치게 된다
멀티 스레드에서는 예외 처리가 중요하다

멀티 스레드로 실행하는 애플리케이션을 개발하려면 몇 개의 작업을 병렬로 실행할지 결정하고, 각 작업별로 스레드를 생성해야 한다

[출처] : https://palpit.tistory.com/entry/Java-%EB%A9%80%ED%8B%B0-%EC%8A%A4%EB%A0%88%EB%93%9C-%EC%9E%91%EC%97%85-%EC%8A%A4%EB%A0%88%EB%93%9C

어떤 자바 애플리케이션이건 메인 스레드는 반드시 존재하므로, 메인 작업 이외에 추가적인 병렬 작업의 수만큼 스레드를 생성하면 된다
자바에서는 작업 스레드도 객체로 생성되기 때문에 클래스가 필요하다

Thread를 생성하는 방법

java.lang.Thread 클래스를 직접 객체화해서 생성 (Runnable 인터페이스를 사용)
Thread 클래스를 상속하여 하위 클래스를 작성하여 생성

아래에서 쓰레드를 생성하는 방법에 대해 알아보자

1. Runnable 인터페이스와 Thread 클래스

본격적으로 쓰레드를 생성하는 방법을 알아보자. Thread를 생성하는 것에는 위에서 말했듯이 크게 두 가지 방법이 있다. 하나는 Runnable 인터페이스를 사용하는 것이고, 다른 하나는 Thread 클래스를 사용하는 것이다. Thread 클래스는 Runnable 인터페이스를 구현한 클래스이므로, 어떤 것을 적용하느냐의 차이만 있다.

Runnable 인터페이스와 Thread 클래스는 모두 java.lang 패키지에 있으므로, 별도로 import 할 필요 없다

1. Runnable 인터페이스를 이용해 작업 스레드 객체를 직접 생성

java.lang.Thread 클래스로부터 작업 스레드 객체를 직접 생성하려면 Runnable으ㄹ 매개값으로 갖는 생성자를 호출해야 한다

Thread thread = new Thread(Runnable target);

Runnable 은 작업 스레드가 실행할 수 있는 코드를 가지고 있는 객체라고 해서 붙여진 이름이다
Runnable 은 인터페이스 타입이기 때문에 구현 객체를 만들어 대입해야 한다

Runnable 인터페이스에 선언되어 있는 메소드

리턴 타입	메소드 이름 및 매개 변수	설명
void	run()	쓰레드가 시작되면 수행되는 메소드

구현 클래스는 run() 을 재정의해서 작업 스레드가 실행할 코드를 작성해야 한다

Runnable 인터페이스를 이용해 작업 스레드를 생성하는 방법

Runnable 구현 클래스를 작성

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

Runnable 은 작업 내용을 가지고 있는 객체이지 실제 스레드는 아니다. 따라서, 2번과 같이 작업 스레드를 따로 생성해야한다

Runnable 구현 객체를 생성한 후, 이를 매개값으로 해서 Thread 생성자를 호출하여 작업 스레드 생성

Runnable task = new Task();

Thread thread = new Thread(task);

+ 익명 구현 객체 이용 방법

코드를 좀 더 절약하기 위해서, Thread 생성자를 호출할 때 Runnable 익명 객체를 매개값으로 사용할 수도 있다. (익명 구현 객체 이용)

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

+ 람다식을 매개값으로 사용 방법

Runnable 인터페이스는 run() 메소드 하나만 정의되어 있기 때문에 함수적 인터페이스이다.
따라서, 람다식을 매개값으로 사용할 수도 있다

Thread thread = new Thread(() -> {
	// 스레드가 실행할 코드
});

작업 스레드의 실행

작업 스레드는 생성 즉시 실행되는 것이 아니라, start() 메소드를 호출해야만 비로소 실행된다

thread.start();

start() 메소드가 호출되면, 작업 스레드는 매개값으로 받은 Runnable 의 run() 메소드를 실행하면서 자신의 작업을 처리한다

Runnable 인터페이스를 이용하여 작업 스레드를 생성한 예제

/* 작업 스레드 생성 - 비프음을 들려주는 작업 정의 */
public class BeepTask implements Runnable {
    public void run() {
        Toolkit toolkit = Toolkit.getDefaultToolkit();

        for (int i=0; i<5; i++) {
            toolkit.beep();
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (Exception e) {}
        }
    }
}

/* 메인 스레드와 작업 스레드가 동시에 실행되는 예제 */
public class BeepPrintExample2 {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable beepTask = new BeepTask(); // BeepTask 객체 생성
        Thread thread = new Thread(beepTask); // 작업 스레드 생성
        thread.start(); // 작업 스레드 실행

        for (int i=0; i < 5; i++) {
            System.out.println("띵");
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (Exception e) {}
        }
    }
}

아래와 같이 Thread 생성자 호출을 간단하게 작성할 수도 있다

// Runnable 구현 클래스를 작성 할 때 Runnable 익명 객체를 매개값으로 사용하여 Thread 생성자 호출하는 방법
Thread thread = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        Toolkit toolkit = Toolkit.getDefaultToolkit();
        for (int i=0; i < 5; i++) {
            toolkit.beep();
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (Exception e) {}
        }
    }
});

// 람다식 이용
Thread thread = new Thread(() -> {
    Toolkit toolkit = Toolkit.getDefaultToolkit();
    for (int i=0; i < 5; i++) {
        toolkit.beep();
        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (Exception e) {}
    }
});

2. Thread 하위 클래스로부터 작업 스레드 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 재정의 (overriding) 해서 스레드가 실행할 코드를 작성

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

작업 스레드 클래스로부터 작업 스레드 객체를 생성

Thread thread = new WorkerThread();

+ 익명 객체로 작업 스레드 객체 생성

코드를 더 절약하기 위해 Thread 익명 객체로 작업 스레드 객체를 생성할 수도 있다

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

작업 스레드의 실행

작업 스레드 객체에서 start() 메소드를 호출하면 작업 스레드는 자신의 run() 메소드를 실행하게 됨

thread.start();

Thread 하위 클래스로 작업 스레드를 정의한 예제

import java.awt.Toolkit;

public class BeepThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        Toolkit toolkit = Toolkit.getDefaultToolkit();
        for (int i=0; i<5; i++) {
            toolkit.beep();
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (Exception e) {}
        }
    }
}

/* 앞에서 정의한 Thread 클래스를 이용하여 작업스레드 객체를 생성하고 실행하는 예제 */
import java.awt.Toolkit;

public class BeepPrintExample3 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new BeepThread();
        thread.start();

        for (int i=0; i<5; i++) {
            System.out.println("띵");
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (Exception e) {}
        }
    }
}

2. Thread의 상태

스레드 객체를 생성하고, start() 메소드를 호출하면 곧바로 스레드가 실행되는 것처럼 보이지만 사실은 실행 대기 상태가 된다.

[출처] : https://www.javamadesoeasy.com/2015/03/thread-states-thread-life-cycle-in-java.html

실행 대기 상태

아직 스케줄링이 되지 않아서 실행을 기다리고 있는 상태
실행 대기 상태에 있는 스레드 중에서 스레드 스케줄링으로 선택된 스레드가 CPU를 점유하고 run() 메소드를 실행한다

실행 상태

스레드 스케줄링으로 선택된 스레드가 CPU를 점유하고 run() 메소드를 실행하는 상태
실행 상태의 스레드는 run() 메소드를 모두 실행하기 전에 스레드 스케줄링에 의해 다시 실행 대기 상태로 돌아갈 수 있다

종료 상태

실행 상태에서 run() 메소드가 종료되면, 더 이상 실행할 코드가 없기 때문에 스레드의 실행이 멈추게 되는 상태

일시 정지 상태

경우에 따라서는 스레드는 실행 상태에서 실행 대기 상태로 가지 않을 수도 있다. 실행 상태에서 일시 정지 상태로 가기도 하는데, 일시 정지 상태는 스레드가 실행할 수 없는 상태이다. 일시 정지 상태는 WATING, TIMED_WAITING, BLOKED 가 있다.
스레드가 다시 실행 상태로 가기 위해서는 일시 정지 상태에서 실행 대기 상태로 가야 한다

3. Thread의 우선순위

멀티 스레드는 동시성(Concurrency)과 병렬성 (Parallelism)으로 실행된다.

동시성 (Concurrency)

멀티 작업을 위해 하나의 코어에서 멀티 스레드가 변갈아가며 실행하는 성질

병렬성 (Parallelism)

멀티 작업을 위해 멀티 코어에서 개별 스레드를 동시에 실행하는 성질

[출처] : https://www.logicbig.com/quick-info/programming/multi-threading.html

Thread Scheduling (쓰레드 스케줄링)

Thread의 개수가 코어의 개수보다 많을 경우, Thread를 어떤 순서에 의해 동시성으로 실행할 것인가를 결정해야 하는데, 이것을 쓰레드 스케줄링이라고 한다.
Thread 스케줄링에 의해 스레드들은 아주 짧은 시간에 번갈아가면서 그들의 run() 메소드를 조금씩 실행한다

자바의 Thread 스케줄링은 우선순위(Priority) 방식과 순환 할당 (Round-Robin) 방식을 사용한다

1. 우선순위 방식 (Priority)

우선 순위가 높은 Thread가 실행 상태를 더 많이 가지도록 스케줄링하는 것
Thread 객체에 우선 순위 번호를 부여할 수 있기 때문에 개발자가 코드로 제어 가능

2. 순환 할당 (Round-Robin) 방식

시간 할당량 (Time Slice)을 정해서 하나의 Thread를 정해진 시간만큼 실행하고 다시 다른 Thread를 실행하는 방식
JVM에 의해 결정되므로 코드로 제어 불가

우선 순위 (Priority)

쓰레드의 우선 순위는 1 ~ 10까지 부여된다
- 1 : 가장 낮은 우선 순위
- 10 : 가장 높은 우선 순위
우선 순위를 부여하지 않으면 모든 쓰레드들은 기본적으로 5의 우선 순위를 할당 받음

우선 순위의 변경 - setPriority()

thread.setPriority(우선순위);

우선순위의 매개값으로 1 ~ 10까지의 값을 직접 주어도 되지만, 코드의 가독성을 높이기 위해 Thread 클래스의 상수를 사용할 수도 있다
```
thread.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
thread.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
thread.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
```

4. Main Thread

모든 자바 애플리케이션은 메인 스레드 (main thread)가 main() 메소드를 실행하면서 시작된다.
메인 스레드는 main() 메소드의 첫 코드부터 아래로 순차적으로 실행하고, main() 메소드의 마지막 코드를 실행하거나 return문을 만나면 실행이 종료된다

코드의 실행 흐름이 결국 스레드

public static void main(String[] args) {
  String data = null;
  if (...) {
    
  }
  while (...) {
    
  }
  System.out.println(...);
}

메인 스레드는 필요에 따라 작업 스레드들을 만들어서 병렬로 코드를 실행할 수 있다
즉, 멀티 스레드를 생성해서 멀티 태스킹을 수행한다

[출처] : https://www.baeldung.com/cs/async-vs-multi-threading

싱글 스레드 애플리케이션에서는 메인 스레드가 종료하면 프로세스도 종료된다
그러나 멀티 스레드 애플리케이션에서는 실행 중인 스레드가 하나라도 있다면, 프로세스는 종료되지 않는다
메인 스레드가 작업 스레드보다 먼저 종료되더라도 작업 스레드가 계속 실행 중이라면 프로세스는 종료되지 않는다

5. 동기화

싱글 스레드 프로그램에서는 한 개의 스레드가 객체를 독차지해서 사용하면 되지만, 멀티 스레드 프로그램에서는 스레드들이 객체를 공유해서 작업해야 하는 경우가 있다. 이 경우, 스레드 A를 사용하던 객체가 스레드 B에 의해 상태가 변경될 수 있기 때문에 스레드 A가 의도했던 것과는 다른 결과를 산출할 수도 있다.

Synchronized

따라서, 스레드가 사용 중인 객체를 다른 스레드가 변경할 수 없도록 하려면 스레드 작업이 끝날 때까지 객체에 잠금을 걸어서 다른 스레드가 사용할 수 없도록 해야한다
임계 영역 (critical section) : 멀티 스레드 프로그램에서 단 하나의 스레드만 실행할 수 있는 코드 영역
- 자바는 임계 영역을 지정하기 위해 동기화 (synchronized) 메소드와 동기화 블록을 제공한다
- 스레드가 객체 내부의 동기화 메소드 또는 블록에 들어가면 즉시 객체에 잠금을 걸어 다른 스레드가 임계 영역 코드를 실행하지 못하도록 한다

동기화 메소드를 만드는 방법

메소드 선언에 synchronized 키워드를 붙인다
인트턴스와 정적 메소드 어디든 붙일 수 있다

public synchronized void method() {
	임계 영역; // 단 하나의 스레드만 실행
}

동기화 메소드는 메소드 전체 내용이 임계 영역이므로 스레드가 동기화 메소드를 실행하는 즉시 객체에는 잠금이 일어나고, 스레드가 동기화 메소드를 실행 종료하면 잠금이 풀린다

동기화 블록을 만드는 방법

메소드 전체가 아니라, 일부 내용만 임계 영역으로 만들고 싶다면, 동기화 블록을 만들면 된다

public void method() {
	// 여러 스레드가 실행 가능 영역
	...
	synchronized(공유객체) {
		임계 영역 // 단 하나의 스레드만 실행
	}
	// 여러 스레드가 실행 가능 영역
}

동기화 블록의 외부 코드들은 여러 스레드가 동시에 실행할 수 있지만, 동기화 블록의 내부 코드는 임계 영역이므로 한 번에 한 스레드만 실행할 수 있고, 다른 스레드는 실행할 수 없다
만약, 동기화 메소드와 동기화 블록이 여러개 있을 경우, 스레드가 이들 중 하나를 실행할 때 다른 스레드는 해당 메소드는 물론이고 다른 동기화 메소드 및 블록도 실행 할 수 없다
- 일반 메소드는 실행이 가능하다

6. Deadlock (교착 상태)

다중 프로그래밍 시스템에서 프로세스가 결코 일어나지 않을 사건을 기다리는 상태가 된 경우에 deadlock (교착 상태)에 빠졌다고 말한다.

한 개 이상의 프로세스가 교착 상태에 빠지면 작업이 정지되어 더는 명령을 진행하지 못한다
운영체제가 교착 상태를 해결하지 못하면, 시스템 운영자나 사용자는 작업을 교체하거나 종료하는 외부 간섭으로 이를 해결해야 한다

교착 상태가 발생하는 이유

시스템 자원에 요구가 뒤엉킨 상태로, 두 프로세스가 사용하는 자원(비공유)을 서로 기다리고 있을 때 발생한다
자원 해제 요청을 받아들일 때까지 프로세스들은 작업을 더 이상 진행할 수 없으며, 자원 해제를 수신할 때까지 현재 보유한 자원도 해제할 수 없다
다시 말해서, 다른 하나를 완료하지 않으면 프로세스를 더 이상 진행할 수 없고, 진행하지 않으면 프로세스를 완료할 수 없다
따라서, 둘 이상의 작업이 중단되고 프로세스들은 서로 사용할 자원을 기다리고만 있게 된다

교착 상태의 발생 조건

교착 상태는 시스템에서 네 가지 조건을 만족할 때 발생한다
이 중 1 ~ 3만 만족해도 발생할 수 있고, 발생하지 않을 수도 있다.
4번째 조건은 1 ~ 3 조건을 만족할 때 발생할 수 있는 결과이고, 점유와 대기 조건을 포함하므로 네 가지 조건이 모두 독립적인 것은 아니다

1. 상호 배제

자원을 최소 하나 이상 비공유해야 한다
한 번에 프로세스 하나만 해당 자원을 사용할 수 있어야 한다
사용중인 자원을 다른 프로세스가 사용하려면 요청한 자원이 해제될 때까지 기다려야 한다

2. 점유와 대기

자원을 최소한 하나 정도는 보유하고, 다른 프로세스에 할당된 자원을 얻으려고 기다리는 프로세스가 있어야 한다

3. 비선점

자원은 선점할 수 없다
자원을 강제로 빼앗을 수 없고, 자원을 점유하고 있는 프로세스가 끝나야 해제된다

4. 순환 (환형) 대기

[출처] : https://www.geeksforgeeks.org/introduction-of-deadlock-in-operating-system/

각 프로세스들이 보유한 자원을 다른 프로세스들이 각각 얻으려고 기다리는 상태여야 한다

Reference

신용권, 『이것이 자바다』, 한빛미디어(2015), p.576 ~ p.647
이상민, 『자바의 신』, 로드북(2018), p.662 ~ p.699
구현회, 『그림으로 배우는 구조와 원리 - 운영체제』, 한빛아카데미(2016), p.188 ~ p.197
https://www.geekboots.com/story/multiprocessing-vs-multithreading
https://palpit.tistory.com/entry/Java-%EB%A9%80%ED%8B%B0-%EC%8A%A4%EB%A0%88%EB%93%9C-%EC%9E%91%EC%97%85-%EC%8A%A4%EB%A0%88%EB%93%9C
https://www.logicbig.com/quick-info/programming/multi-threading.html
https://www.baeldung.com/cs/async-vs-multi-threading
https://www.geeksforgeeks.org/introduction-of-deadlock-in-operating-system/

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[10주차 과제] 멀티스레드

Thread 클래스와 Runnable 인터페이스

쓰레드의 상태

쓰레드의 우선순위

Main 쓰레드

동기화

데드락

0. Process와 Thread

1. Process

멀티 태스킹 (multi tasking)

2. Thread

Multi Process 와 Multi Thread

멀티 프로세스 (multi process)

멀티 스레드 (multi thread)

멀티 스레드로 실행하는 애플리케이션을 개발하려면 몇 개의 작업을 병렬로 실행할지 결정하고, 각 작업별로 스레드를 생성해야 한다

Thread를 생성하는 방법

1. Runnable 인터페이스와 Thread 클래스

1. Runnable 인터페이스를 이용해 작업 스레드 객체를 직접 생성

Runnable 인터페이스에 선언되어 있는 메소드

Runnable 인터페이스를 이용해 작업 스레드를 생성하는 방법

+ 익명 구현 객체 이용 방법

+ 람다식을 매개값으로 사용 방법

작업 스레드의 실행

Runnable 인터페이스를 이용하여 작업 스레드를 생성한 예제

2. Thread 하위 클래스로부터 작업 스레드 생성

+ 익명 객체로 작업 스레드 객체 생성

작업 스레드의 실행

Thread 하위 클래스로 작업 스레드를 정의한 예제

2. Thread의 상태

실행 대기 상태

실행 상태

종료 상태

일시 정지 상태

3. Thread의 우선순위

동시성 (Concurrency)

병렬성 (Parallelism)

Thread Scheduling (쓰레드 스케줄링)

자바의 Thread 스케줄링은 우선순위(Priority) 방식과 순환 할당 (Round-Robin) 방식을 사용한다

1. 우선순위 방식 (Priority)

2. 순환 할당 (Round-Robin) 방식

우선 순위 (Priority)

우선 순위의 변경 - setPriority()

4. Main Thread

코드의 실행 흐름이 결국 스레드

5. 동기화

Synchronized

동기화 메소드를 만드는 방법

동기화 블록을 만드는 방법

6. Deadlock (교착 상태)

교착 상태가 발생하는 이유

교착 상태의 발생 조건

1. 상호 배제

2. 점유와 대기

3. 비선점

4. 순환 (환형) 대기

Reference