[Chapter 13] 쓰레드

프로세스와 쓰레드

프로세스란 간단히 말해서 '실행 중인 프로그램'이다. 프로그램을 실행하면 OS로부터 실행에 필요한 자원(메모리)을 할당받아 프로세스가 된다.

 

프로세스는 프로그램을 수행하는 데 필요한 데이터와 메모리 등의 자원 그리고 쓰레드로 구성되어 있으며 프로세스의 자원을 이용해서 실제로 작업을 수행하는 것이 바로 쓰레드이다.

 

그래서 모든 프로세스에는 최소한 하나 이상의 쓰레드가 존재하며, 둘 이상의 쓰레드를 가진 프로세스를 '멀티쓰레드 프로세스' 라고 한다.

 

 

멀티태스킹과 멀티쓰레딩

현재 우리가 사용하는 윈도우나 유닉스를 포함한 대부분의 OS는 멀티태스킹을 지원하기 때문에 여러 개의 프로세스가 동시에 실행될 수 있다.

 

멀티쓰레딩의 장단점

 

장점

- CPU의 사용률을 향상시킨다.

- 자원을 보다 효율적으로 사용할 수 있다.

- 사용자에 대한 응답성이 향상된다.

- 작업이 분리되어 코드가 간결해진다.

 

메신저로 채팅을 하면서 파일을 다운로드 받거나 음성대화를 나눌 수 있는 것이 가능한 이유가 멀티쓰레드로 작성되어 있기 때문이다.

 

 

쓰레드의 구현과 실행

쓰레드를 구현하는 방법은 Thread 클래스를 상속받는 방법과 Runnable 인터페이스를 구현하는 방법, 모두 두 가지가 있다. 별 차이는 없지만 Thread 클래스를 상속받으면 다른 클래스를 상속받을 수 없기 때문에, Runnable 인터페이스를 구현하는 방법이 일반적이다.

Runnable 인터페이스를 구현하는 방법은 재사용성이 높고 코드의 일관성을 유지할 수 있기 때문에 보다 객체지향적인 방법이라 할 수 있겠다.

1. Thread 클래스를 상속
class MyThread extends Thread {
	public void run() {	/* 작업내용 */ }	// Thread 클래스의 run() 을 오버라이딩
}

2. Runnable 인터페이스를 구현
class MyThread implements Runnable {
	public void run() { /* 작업내용 */ }	// Runnable 인터페이스의 run()을 구현
}

 

Runnable 인터페이스는 오로지 run()만 정의되어 있는 간단한 인터페이스이다. Runnable 인터페이스를 구현하기 위해서 해야 할 일은 추상메서드인 run()의 몸통{}을 만들어 주는 것뿐이다.

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

 

 

쓰레드의 실행 - start()

쓰레드를 생성했다고 해서 자동으로 실행되는 것은 아니다. start()를 호출해야만 쓰레드가 실행된다.

t1.start();	// 쓰레드 t1을 실행시킨다.
t2.start();	// 쓰레드 t2를 실행시킨다.

start()가 호출되었다고 해서 바로 실행되는 것이 아니라, 일단 실행대기 상태에 있다가 자신ㅇ의 차례가 되어야 실행된다. 물론 실행대기중인 쓰레드가 하나도 없으면 곧바로 실행상태가 된다.

 

한 번 실행이 종료된 쓰레드는 다시 실행할 수 없다는 것이다. 즉, 하나의 쓰레드에 대해 start()가 한 번만 호출될 수 있다는 뜻이다.

 

 

main 쓰레드

main 메서드의 작업을 수행하는 것도 쓰레드이며, 이를 main 쓰레드라고 한다. 우리는 지금까지 우리도 모르는 사이에 이미 쓰레드를 사용하고 있었던 것이다. 프로그램을 실행하면 기본적으로 하나의 쓰레드(일꾼)을 생성하고, 그 쓰레드가 main 메서드를 호출해서 작업이 수행되도록 하는 것이다.

 

실행 중인 사용자 쓰레드가 하나도 없을 때 프로그램은 종료된다.

 

 

싱글쓰레드와 멀티쓰레드

두 개의 작업을 하나의 쓰레드로 처리하는 경우와 두 개의 쓰레드로 처리하는 경우를 가정해보자. 하나의 쓰레드로 두 작업을 처리하는 경우는 한 작업을 마친 후에 다른 작업을 시작하지만, 두 개의 쓰레드로 작업 하는 경우에는 짧은 시간동안 2개의 쓰레드가 번갈아 가면서 작업을 수행해서 동시에 두 작업이 처리되는 것과 같이 느끼게 한다.

 

하나의 쓰레드로 두개의 작업을 수행한 시간과 두개의 쓰레드로 두 개의 작업을 수행한 시간은 거의 같다. 오히려 두 개의 쓰레드로 작업한 시간이 실글쓰레드로 작업한 시간보다 더 걸리게 되는데 그 이유는 쓰레드간의 작업전환에 시간이 걸리기 때문이다.

 

싱글 코어에서 단순히 CPU만을 사용하는 계산작업이라면 오히려 멀티쓰레드보다 싱글 쓰레드로 프로그래밍하는 것이 더 효율적이다.

 

 

쓰레드의 우선순위

쓰레드는 우선순위라는 속성을 가지고 있는데, 이 우선순위의 값에 따라 쓰레드가 얻는 실행시간이 달라진다. 쓰레드가 수행하는 작업의 중요도에 따라 쓰레드의 우선순위를 서로 다르게 지정하여 특정 쓰레드가 더 많은 작업시간을 갖도록 할 수 있다.

시각적인 부분이나 사용자에게 빠르게 반응해야하는 작업을 하는 쓰레드의 우선 순위는 다른 작업을 수행하는 쓰레드에 비해 높아야 한다.

 

쓰레드의 우선순위 지정하기

void setPriority(int newPriority)	// 쓰레드의 우선순위를 지정한 값으로 변경한다.
int getPriority()			// 쓰레드의 우선순위를 반환한다.

public static final int MAX_PRIORITY = 10	// 최대우선순위
public static final int MIN_PRIORITY = 1	// 최소우선순위
public static final int NORM_PRIORITY = 5	// 보통우선순위

 

 

데몬 쓰레드

데몬 쓰레드는 일반 쓰레드의 작업을 돕는 보조적인 역할을 수행하는 쓰레드이다. 일반 쓰레드가 모두 종료되면 데몬 쓰레드는 강제적으로 자동 종료된다.

예로는 가비지 컬렉터, 워드프로세서의 자동저장, 화면자동갱신 등이 있다.

 

 

쓰레드의 동기화

싱글쓰레드 프로세스의 경우 하나의 쓰레드만 작업하기 때문에 문제가 없지만, 멀티쓰레드 프로세스의 경우 여러 쓰레드가 같은 프로세스 내의 자원을 공유해서 작업하기 때문에 서로의 작업에 영향을 주게된다.

이러한 일이 발생하는 것을 방지하기 위해서 한 쓰레드가 특정 작업을 끝마치기 전까지 다른 쓰레드에 의해 방해받지 않도록 하는 것이 필요하다. 그래서 도입된 개념이 바로 '임계 영역'과 '잠금(락)'이다.

 

공유 데이터를 사용하는 코드 영역을 임계 영역으로 지정해놓고, 공유 데이터(객체)가 가지고 있는 lock을 획득한 단 하나의 쓰레드만 이 영역 내의 코드를 수행할 수 있게 한다. 그리고 해당 쓰레드가 임계 영역 내의 모든 코드를 수행하고 벗어나서 lock을 반납해야만 다른 쓰레드가 반납된 lock을 획득하여 임계 영역의 코드를 수행할 수 있게 된다.

이처럼 한 쓰레드가 진행 중인 작업을 다른 쓰레드가 간섭하지 못하도록 막는 것을 '쓰레드의 동기화'라고 한다.

 

synchronized를 이용한 동기화

 

가장 간단한 동기화 방법인 synchronized 키워드를 이용한 동기화 방법. 이 키워드는 임계 영역을 설정하는데 사용된다.

아래와 같이 두 가지 방법이 있다.

1. 메서드 전체를 임계 영역으로 지정
public synchronized void calcSum() {		// 임계 영역
	...					// 임계 영역
}						// 임계 영역

2. 특정한 영역을 임계 영역으로 지정
synchronized (객체의 참조변수) {			// 임계 영역
	...					// 임계 영역
}						// 임계 영역

첫 번째 방법은 메서드 앞에 synchronized를 붙이는 것인다, 메서드 전체가 임계 영역으로 설정된다. 쓰레드는 synchronized 메서드가 호출된 시점부터 해당 메서드가 포함된 객체의 lock을 얻어 작업을 수행하다가 메서드가 종료되면 lock을 반환한다.

 

두 번째 방법은 메서드 내의 코드 일부를 블럭{}으로 감싸고 블럭 앞에 'synchronized (참조변수)'를 붙이는 것인데, 이때 참조변수는 락을 걸고자 하는 객체를 참조하는 것이어야 한다. 이 블럭을 synchronized 블럭이라고 부르며, 이 블럭의 영역 안으로 들어가면서부터 쓰레드는 지정된 객체의 lock을 얻게 되고, 이 블럭을 벗어나면 lock을 반납한다.

 

두 방법 모두 lock의 획득과 반납이 모두 자동적으로 이루어지므로 우리가 해야 할 일은 그저 임계 영역만 설정해주는 것 뿐이다.

 

 

wait()과 notify()  

한 쓰레드가 락을 보유한 채로 오랜 시간을 보낸다면, 다른 쓰레드들은 모두 해당 객체의 락을 기다리느라 다른 작업들도 원활히 진행되지 않을 것이다.

이러한 상황을 개선하기 위해 고안된 것이 wait()과 notify()이다.동기화된 임계영역의 코드를 수행하다가 작업을 더 이상 진행할 상황이 아니면, 일단 wait()을 호출하여 쓰레드가 락을 반납하고 기다리게 한다. 그러면 다른 쓰레드가 락을 얻어 해당객체에 대한 작업을 수행할 수 있게 된다. 나중에 작업을 진행할 수 있는 상황이 되면 notify()를 호출해서, 작업을 중단했던 쓰레드가 다시 락을 얻어 작업을 진행할 수 있게 한다.

void wait()
void wait(long timeout)
void wait(long timeout, int nanos)
void notify()
void notifyAll()