스레드 기본 개념
멀티스레드 환경 이해:
자바 애플리케이션(WAS 등)을 실행하면 운영체제 프로세스가 하나 생성되고,
그 프로세스 내에서 여러 개의 스레드가 동작할 수 있습니다
하나의 프로세스가 다수의 스레드를 포함할 수 있으므로 프로세스와 스레드는 1 대 N의 관계로 볼 수 있습니다
스레드는 Light Weight Process (LWP)라고 불리는데, 가벼운 프로세스로서
부모 프로세스의 메모리를 공유하여 실행됩니다
이러한 메모리 공유 특성 때문에, 여러 스레드가 하나의 자원을 동시에 접근하면 충돌이 발생할 수 있어 동기화(synchronization)가 필요합니다
스레드 구현 방법: Thread vs Runnable
자바에서 스레드를 구현하는 방법은 두 가지가 있습니다
Thread 클래스 상속
Thread 클래스를 상속받아 run() 메서드를 오버라이드합니다
이 방법을 사용할 경우, 스레드 객체를 생성한 뒤 start() 메서드를 호출하면 새로운 스레드에서 run() 메서드가 실행됩니다
Runnable 인터페이스 구현
Runnable 인터페이스를 구현하고 run() 메서드를 정의합니다.
그런 다음 new Thread(runnable객체).start()로 해당 Runnable을 실행합니다
Thread 클래스 자체가 이미 Runnable을 구현하고 있기 때문에 동작 면에서는 Thread를 상속한 것과 거의 동일합니다.
하지만 Runnable 구현 방식은 이미 다른 클래스를 상속 중인 경우에도 사용할 수 있다는 유연성이 있습니다
그럼에도 Runnable 구현을 사용하면 매번 Thread를 만들어주어야 하는 불편함이 있고,
별도의 스레드 객체 생성이 필요하다는 단점도 있습니다
아래는 두 가지 구현 방법을 비교한 간단한 코드 예시입니다:
// Thread 클래스를 상속하여 스레드 구현
public class MyThread extends Thread {
@Override
public void run() {
System.out.println("MyThread 실행");
}
}
// Runnable 인터페이스를 구현하여 스레드 구현
public class MyRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("MyRunnable 실행");
}
}
// Thread와 Runnable 사용 예시
public class ThreadExample {
public static void main(String[] args) {
MyThread thread = new MyThread();
thread.start(); // 새로운 스레드에서 MyThread.run() 실행
MyRunnable runnable = new MyRunnable();
Thread thread2 = new Thread(runnable);
thread2.start(); // 새로운 스레드에서 MyRunnable.run() 실행
}
}
스레드 대기 메서드: sleep, wait, join
멀티스레드 프로그래밍에서는 특정 스레드를 일시 정지하거나 대기시키는 메소드들이 제공됩니다
sleep(time)
현재 실행 중인 스레드를 지정된 시간동안 (밀리초 단위) 일시 정지시킵니다
wait(time)
대상 객체의 모니터 락을 가진 상태에서 호출하여, 해당 객체에서 다른 스레드의 notify/notifyAll 신호가 올 때까지 지정된 시간동안 현재 스레드를 대기시킵니다
wait()은 반드시 동기화 블록 또는 메소드(모니터 락을 소유한 상태)에서 호출해야 합니다
파라미터를 지정하지 않으면 notify() 또는 notifyAll()로 깨워줄 때까지 무기한 대기합니다.
join(time)
다른 스레드가 종료될 때까지 현재 스레드의 실행을 일시 정지시킵니다
예를 들어 t.join();은 현재 스레드를 멈추고 스레드 t가 끝날 때까지 기다립니다
시간 제한을 지정하면 최대 그 시간만큼 기다린 후 이어서 실행을 계속합니다.
주로 메인 스레드가 작업 스레드들의 종료를 기다릴 때 사용됩니다
public static void main(String[] args) {
SumTask task1 = new SumTask(1, 50);
SumTask task2 = new SumTask(51, 100);
Thread thread1 = new Thread(task1, "thread-1");
Thread thread2 = new Thread(task2, "thread-2");
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
int sumAll = task1.result + task2.result;
}
static class SumTask implements Runnable {
int startValue;
int endValue;
int result = 0;
public SumTask(int startValue, int endValue) {
this.startValue = startValue;
this.endValue = endValue;
}
@Override
public void run() {
int sum = 0;
for (int i = startValue; i <= endValue; i++) {
sum += i;
}
result = sum;
}
}
스레드 제어 메서드: interrupt, notify, notifyAll
스레드의 동작을 제어하거나 상태를 확인하기 위한 메th드들도 있습니다
interrupt()
다른 스레드의 차단(block) 상태를 해제합니다.
예를 들어 어떤 스레드가 sleep()이나 wait() 등으로 대기하고 있을 때,
그 스레드의 interrupt()를 호출하면 해당 스레드에서 InterruptedException이 발생하며 대기
상태에서 빠져나옵니다
isInterrupted()
특정 스레드가 interrupt 되었는지 확인합니다
notify()
wait()으로 기다리던 스레드 중 하나가 다시 실행될 수 있도록 신호를 보내는 것입니다.
어떤 스레드가 깨어날지는 지정할 수 없으며, 임의의 한 스레드가 깨어납니다
notifyAll()
여러 스레드가 wait() 중이라면 모두 깨워 실행 대기 상태로 전환시킵니다
synchronized 키워드와 동기화
synchronized의 역할:
synchronized 키워드는 임계 구역(Critical Section)을 지정하여 동시에 한 스레드만 해당 코드를 실행하도록 보장합니다
즉, 공유 자원에 여러 스레드가 접근할 때 한 번에 하나의 스레드만 접근하도록
상호 배제(Mutual Exclusion)를 구현하는 장치입니다.
synchronized는 두 가지 형태로 사용할 수 있습니다
메소드 선언:
메소드 전체에 락을 거는 방식입니다
한 스레드가 메소드 실행 중이면 같은 객체의 그 메서드에 다른 스레드가 동시에 진입하지 못합니다.
임의의 블록에 사용:
메소드 내의 일부 블록을 지정하여 락을 거는 방식입니다
명시된 객체를 모니터 락으로 사용하여 그 블록을 보호합니다.
원하는 객체로 락을 걸 수 있으므로 보다 세밀한 동기화가 가능합니다.
생성자에는
synchronized를 사용할 수 없습니다. 생성자 실행 중에는 해당 객체를 다른 스레드가 볼 수 없으므로 동기화 키워드를 허용하지 않습니다.
static 객체 동기화 주의사항
동기화 대상이 static으로 선언된 객체(클래스 변수)인 경우에는 주의해야 합니다
만약 여러 스레드에서 공유하는 변수가 static이라면,
그 변수를 조작하는 메서드도 static synchronized로 선언해야 올바르게 동기화됩니다
class StaticExample {
private static int staticCount = 0;
public static synchronized void incrStatic() {
staticCount++;
}
}위 코드처럼 static synchronized 메소드는 해당 클래스의 Class 객체에 락을 겁니다.
이렇게 해야 모든 스레드가 클래스 단위로 하나의 동일한 락을 공유하게 됩니다. 만약 staticCount를 증가시키는 메서드를 단순히 synchronized (인스턴스 메서드)로 선언하면, 각 객체별로 다른 락이 적용됩니다
그 결과 같은 StaticExample 클래스의 여러 인스턴스가 있을 때
staticCount의 동시 접근이 제대로 통제되지 않는 오류가 생길 수 있습니다.
따라서 클래스 변수는 클래스 자체의 락으로 보호해야 합니다.
동기화가 필요한 경우와 성능 고려
synchronized 키워드를 언제 사용해야 할지 판단하는 것이 중요합니다.
다음 두 가지 경우에만 동기화를 고려하는 것이 좋습니다
- 하나의 객체를 여러 스레드가 동시에 접근할 경우
static으로 선언된 객체를 여러 스레드가 동시에 사용할 경우
위의 상황에 해당하지 않는다면, 굳이 동기화를 사용할 필요는 많지 않습니다.
다시 말해, 필요한 곳에만 최소한으로 synchronized를 써야 합니다.
synchronized는 동시 접근을 막아주는 장점이 있지만, 그에 따라 성능 저하라는 단점이 따릅니다
락을 획득하고 해제하는 오버헤드, 그리고 락이 걸린 구간에서는 여러 스레드가 대기하며 직렬화되기 때문에 응답 시간이 늘어날 수 있습니다
따라서 무조건 synchronized를 남발해서는 안 됩니다
Vector vs ArrayList
자바의 Vector 클래스는 모든 메소드가 synchronized로 구현되어 있어 쓰레드 안전(thread-safe)
하지만, 단일 스레드 상황에서는 불필요한 락 획득/해제로 인해 ArrayList보다 훨씬 느립니다
고급 동시성 도구 (java.util.concurrent)
자바 5부터는 개발자가 직접 wait()/notify() 또는 낮은 수준에서 synchronized를 관리하지 않고도 thread-safe한 프로그래밍을 할 수 있도록 다양한 고수준 동시성 유틸리티가 추가되었습니다
이러한 도구들은 java.util.concurrent 패키지에 포함되어 있으며, 성능과 사용 편의성 면에서 많은 이점을 제공합니다:
Lock 및 조건 변수 (java.util.concurrent.locks):
기존 synchronized 키워드의 기능을 보다 확장한 락 객체들입니다.
가장 많이 쓰이는 ReentrantLock 클래스는 synchronized와 동일한 메모리 가시성 및 상호배타 보장에 더해, 공정성(fairness) 옵션이나 시도 횟수 제한(tryLock) 등 부가 기능을 제공합니다
스레드 풀 및 실행 서비스 (Executors):
새로운 스레드를 직접 만들고 관리하는 대신, 스레드 풀(thread pool)을 활용하여 스레드 재사용과 작업 큐잉을 관리할 수 있습니다
Executors 유틸리티 클래스를 통해 고정 크기 풀, 캐시된 풀 등 다양한 풀을 생성할 수 있으며, ExecutorService 인터페이스를 통해 스레드 풀에 작업을 제출(submit)하고 비동기 작업 수행(Future 등) 결과를 받을 수 있습니다
Concurrent 컬렉션:
자바 5 이후 다양한 동시성 컬렉션 클래스가 도입되었습니다.
대표적으로 ConcurrentHashMap은 내부를 세분화된 락으로 관리하여 다중 스레드 환경에서
고성능으로 Map을 동시 수정/조회할 수 있습니다.
원자적 연산 변수 (AtomicInteger, AtomicReference 등):
java.util.concurrent.atomic 패키지는 멀티스레드 환경에서 락을 사용하지 않고도(thread-safe) 변수의 원자적 연산을 가능하게 해줍니다
예를 들어 AtomicInteger는 incrementAndGet()과 같은 메서드로 내부적으로 CAS(compare-and-swap) 같은 원자적 CPU 연산을 활용하여 락 없이도 스레드 안전하게 정수 값을 증가시킬 수 있습니다
동시성 도구들을 적절히 활용하면, 기존에 synchronized와 wait()/notify()로 직접 구현해야 했던 패턴들을 보다 안전하고 효율적으로 구현할 수 있습니다.
이런 고급 도구들은 내부 구현에서 이미 최적화와 검증이 이루어졌으므로,
직접 락을 관리하는 것보다 버그를 줄이고 성능을 높일 수 있는 방법이라고 할 수 있습니다.
참고
- 자바 성능 튜닝 이야기 - 8챕터
