자바와 파이썬: 동기, 비동기, 멀티프로세스, 멀티스레드의 깊은 이해

목화·2023년 5월 19일
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1. 자바와 파이썬의 비교 소개

프로그래밍 세계에서 자바와 파이썬은 가장 널리 사용되는 언어 중 두 개입니다. 자바는 객체 지향 프로그래밍과 강력한 멀티스레딩 능력으로 잘 알려져 있습니다. 반면에 파이썬은 그 간결한 문법과 코드 가독성으로 사랑받고 있습니다. 또한, 파이썬의 경우 Global Interpreter Lock(GIL)이라는 특징으로 인해 멀티스레드 처리에서 제한적인 경우도 있습니다. 오늘 우리는 이 두 언어에서 동기, 비동기 처리와 멀티프로세스, 멀티스레드에 대해 알아볼 것입니다.

2. 동기와 비동기: 개념 및 차이점

동기(synchronous)와 비동기(asynchronous)는 프로그래밍에서 중요한 개념 중 하나입니다. 동기는 작업이 순차적으로 실행되는 것을 의미합니다. 한 작업이 완료될 때까지 다음 작업은 대기 상태입니다.

반면에 비동기는 작업이 독립적으로 실행되는 것을 의미합니다. 즉, 한 작업이 완료되지 않아도 다른 작업이 실행될 수 있습니다. 이는 효율적인 자원 활용과 더 빠른 응답 시간을 제공할 수 있지만, 코드의 복잡성을 증가시키는 단점이 있습니다.

3. 자바에서의 동기, 비동기 처리

자바에서는 synchronized 키워드를 이용해 동기화를 구현할 수 있습니다. 이는 한 시점에서 하나의 스레드만 코드 블록에 접근하도록 제한합니다.

비동기 처리에 대해서는, 자바는 CompletableFuture를 제공하여 비동기 연산을 지원합니다. CompletableFuture는 반환 값이 있는 작업을 비동기적으로 실행하게 해주며, 동시에 작업의 완료를 대기하거나 추가 작업을 스케줄링하는 메서드를 제공합니다.

CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    // Long running task simulation
    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
    } catch (InterruptedException

 e) {
        throw new IllegalStateException(e);
    }
    return "Result of the asynchronous computation";
});

// Block and wait for the future to complete
String result = future.get();

4. 파이썬에서의 동기, 비동기 처리

파이썬에서는 asyncio 모듈을 이용하여 비동기 프로그래밍을 할 수 있습니다. asyncawait 키워드를 사용하여 동시성 코드를 작성하고, 비동기 I/O를 효율적으로 처리할 수 있습니다.

import asyncio

async def main():
    print('Hello ...')
    await asyncio.sleep(1)
    print('... World!')

# Python 3.7+
asyncio.run(main())

5. 멀티프로세스와 멀티스레드: 개념 및 차이점

멀티프로세스와 멀티스레드는 프로그램을 동시에 여러 작업을 수행할 수 있게 만드는 기술입니다. 멀티프로세스는 여러 개의 독립된 프로세스를 생성하여 작업을 수행하는 반면, 멀티스레드는 하나의 프로세스 내에서 여러 개의 스레드가 작업을 수행합니다.

6. 자바에서의 멀티프로세스, 멀티스레드 구현

자바에서는 Thread 클래스나 Runnable 인터페이스를 이용하여 멀티스레드 프로그래밍을 구현할 수 있습니다.

class MultithreadingDemo extends Thread {
    public void run() {
        try {
            // Displaying the thread
            System.out.println ("Thread " +
                  Thread.currentThread().getId() +
                  " is running");
  
        } catch (Exception e) {
            // Throwing an exception
            System.out.println ("Exception is caught");
        }
    }
}

public class Multithread {
    public static void main(String[] args) {
        int n = 8; // Number of threads
        for (int i=0; i<n; i++) {
            MultithreadingDemo object = new MultithreadingDemo();
            object.start();
        }
    }
}

7. 파이썬에서의 멀티프로세스, 멀티스레드 구현

파이썬에서는 threading 모듈을 사용하여 멀티스레드 프로그래밍을 구현할 수 있습니다. Thread 클래스의 인스턴스를 생성하고 start() 메소드를 호출하여 스레드를 시작합니다.

import threading

def print_numbers():
    for i in range(10):
        print(i)

def print_letters():
    for letter in ['a', 'b', 'c', 'd', 'e']:
        print(letter)

t1 = threading.Thread(target=print_numbers)
t2 = threading.Thread(target=print_letters)

t1.start()
t2.start()

멀티프로세스에 대해서는, 파이썬은 multiprocessing 모듈을 제공합니다. 이 모듈은 각 프로세스에 대해 별도의 파이썬 인터프리터를 생성하므로, GIL(Global Interpreter Lock)로 인한 병목 현상 없이 CPU를 효과적으로 활용할 수 있습니다.

from multiprocessing import Process

def print_func(continent='Asia'):
    print('The name of continent is : ', continent)

names = ['America', 'Europe', 'Africa']

procs = []
proc = Process(target=print_func)  # instantiating without any argument
procs.append(proc)
proc.start()

# instantiating process with arguments
for name in names:
    # print(name)
    proc = Process(target=print_func, args=(name,))
    procs.append(proc)
    proc.start()

# complete the processes
for proc in procs:
    proc.join()

파이썬: GIL과 CPU-bound 작업

파이썬에서 동시성을 다루면서 빠뜨릴 수 없는 주제가 바로 GIL(Global Interpreter Lock)입니다. GIL은 파이썬 인터프리터의 메모리 관리를 보호하기 위해 설계된 메커니즘이며, 한 번에 하나의 스레드만 실행할 수 있도록 제한합니다. 이로 인해, 멀티스레드 파이썬 프로그램이 복수의 CPU나 코어에서 병렬로 실행되지 못하는 문제가 발생합니다.

Python GIL

이미지 출처: [Python] GIL (Global Interpreter Lock) 이해하기

GIL의 존재로 인해 파이썬에서 CPU-bound 작업을 멀티스레딩으로 처리하면 오히려 성능이 저하될 수 있습니다. CPU-bound 작업이란 CPU 자원에 크게 의존하는 작업을 의미하며, 이런 작업을 처리할 때는 CPU 속도가 주요한 성능 제한 요소가 됩니다. 이런 경우, 멀티스레딩 대신 멀티프로세싱을 사용하면 각 프로세스가 별도의 파이썬 인터프리터와 GIL을 가지므로, GIL에 의한 성능 저하 문제를 해결할 수 있습니다.

하지만, 멀티프로세싱은 추가적인 메모리 사용과 프로세스 생성 및 관리 비용을 발생시키므로, 이를 고려하여 동시성 처리 방식을 결정해야 합니다.

8. 결론: 자바와 파이썬에서 동기, 비동기, 멀티프로세스, 멀티스레드 선택하기

두 언어 모두 동기, 비동기 처리와 멀티스레드, 멀티프로세스를 지원하고 있지만, 선택하는 방식은 프로그램의 요구사항과 자원, 그리고 개발자의 선호도에 따라 달라집니다.

자바는 복잡한 멀티스레드 애플리케이션에 적합하며, 복잡한 비동기 처리를 할 수 있는 라이브러리를 제공합니다. 하지만, 멀티프로세스를 지원하지는 않습니다.

반면에 파이썬은 비동기 처리와 멀티스레딩을 지원하지만, GIL 때문에 CPU-bound 작업에는 제한적입니다. 이런 경우에는 멀티프로세싱을 이용해야 합니다. 그러나, 이는 추가적인 메모리와 프로세스 생성, 관리 비용을 발생시킵니다.

따라서, 자바와 파이썬에서 동기, 비동기, 멀티프로세스, 멀티스레드 선택은 애플리케이션의 요구사항, 가용 자원, 개발 팀의 경험 및 선호도 등 여러 요소를 고려해 결정해야 합니다.

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