[개념원리] Thread

봄도둑·2022년 8월 5일

Thread 개념원리

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thread에 대한 내용을 공부할 때 정리한 글입니다. 잘못된 내용이 있거나 추가할 내용이 있으면 언제든 말씀 부탁드립니다.

1. 프로세스

운영체제에 의해 메모리 공간을 할당받아 CPU에서 실행, 제어되고 있는 프로그램 (독립적인 개체)

동적인 개념으로는 실행된 프로그램을 의미

데이터(data) + 자원(memory) + 스레드(thread)로 구성
프로그램
- 파일 시스템에 존재하는 실행 파일
- 실제 프로그램이 실행되기 까지는 스레드가 데이터 + 자원을 활용하여 작업을 수행
프로세스는 각각 독립된 메모리 영역(code, data, stack, heap)을 할당 받음
프로세스는 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있음
각각의 프로세스는 독립적 → 서로간 별도의 주소 공간에서 실행, 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없음
프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스간의 통신(IPC)를 사용 ex) 파이프, 파일, 소켓등을 이용

2. 스레드

2-1. 개요

하나의 프로세스 내에서 여러 개의 실행 흐름(단일, 동시적, 병렬적)을 두어 작업을 효율적으로 처리하기 위한 모델

사전적 의미 : 프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위, 프로세스의 특정한 수행 경로 → 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위

스레드는 프로세스 내에서 각각의 stack만 따로 할당 받고 code, data, heap 영역은 공유
- stack을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유
  - PC 값은 스레드가 명령을 어디까지 수행하였는지 나타냄
  - 스택 메모리 공간을 독립적으로 사용해야 독립적인 함수 호출이 가능 → 독립적인 실행 흐름이 가능해짐
- PC Resister도 스레드마다 독립적으로 할당 → 스레드는 CPU를 할당 받았다가 스케줄러에 의해 다시 선점 → 명령이 연속적으로 수행되지 못하고 어디까지 수행됬는지 기억할 필요
프로세스 내의 주소 공간이나 자원들(heap etc...)같은 프로세스 내의 스레드간 공유하면서 실행
하나의 스레드가 프로세스 자원을 변경하면 이웃 스레드(같은 프로세스 내 다른 스레드)는 그 변경 결과를 즉시 확인 가능

(이미지 출처 : https://goodgid.github.io/What-is-Thread/)

(프로세스 내에서 스레드, 이미지 출처 : https://gmlwjd9405.github.io/2018/09/14/process-vs-thread.html)

2-2. 스레드의 생명 주기와 상태

(이미지 출처 : https://velog.io/@ruthetum/JAVA-Thread-Multitasking)

NEW : 스레드가 생성되었지만 아직 실행할 준비 X
RUNNABLE : 스레드가 JVM에 의해 실행되고 있거나 실행 준비되어 스케쥴링을 기다리고 있는 상태 → 이 녀석이 callable 상태와 많이 비교됨. 찾아보자
WAITING : 일시 정지 상태, 다른 스레드의 통지를 기다리는 상태, 일반적으로 스레드 동기화를 위해 사용
TIMED_WAITIMG : 스레드가 sleep(n)을 호출 → n ms동안 일시정지 상태(잠든 상태)
TERMINATED : 스레드 종료. run()이 끝나면 소멸
BLOCK : 일시정지 상태. 사용하려는 객체의 모니터 락(monitor lock)이 풀리기를 기다리는 상태 → 스레드가 I/O 작업 요청을 하면 JVM이 자동으로 BLOCK 상태로 만듦

2-3. 스레드 구분

2-3-1. 메인 스레드

main 메소드도 하나의 스레드를 갖는데 이를 메인 스레드라고 부름 → 메인 스레드는 프로그램이 시작하면 가장 먼저 실행되는 스레드로 모든 스레드는 메인 스레드로부터 생성

다른 스레드를 생성해서 실행하지 않는다면 메인 스레드가 종료되는 순간 프로그램도 종료

(이미지 출처 : https://www.geeksforgeeks.org/main-thread-java/?ref=lbp)

2-3-2. 데몬 스레드

다른 일반 스레드의 작업을 돕는 보조적인 역할을 수행하는 스레드

해당 스레드가 start() 되기 전 setDeamon(true)로 데몬 스레드 지정을 해야 데몬 스레드 사용 가능

데몬 스레드는 자기 자신이 종료되지 않아도 다른 실행중인 일반 스레드가 없다면 종료

데몬 스레드를 사용하는 이유
- 게임 어플리케이션이 하나 있음 → 이 어플리케이션의 메인 스레드는 종료 버튼을 누르면 끝남
- 하지만 메인 스레드와 별개로 다른 일반 스레드인 자동 저장 스레드가 있음 → 일정 주기마다 자동 저장을 하게 될 경우 아무리 종료 버튼을 눌러 메인 스레드를 종료시켜도 자동 저장 스레드가 죽지도 않고 계속 살아 있기 때문에 이 게임은 절대 꺼지지 않게 됨
- 이러한 상황에서 메인 스레드가 종료될 때 함께 종료되는 데몬 스레드로 자동 저장 스레드를 만들면 종료 버튼을 누를 때 같이 끝나게 될 수 있음

2-3-3. 스레드 그룹

일반 스레드를 생성할 때 스레드를 집합 단위로 관리할 수 있음 → 이게 스레드 그룹

모든 스레드는 반드시 하나의 스레드 그룹에 속함

스레드 그룹을 지정해주지 않으면 기본값으로 main 스레드 그룹에 속하게 됨 → 스레드는 자신을 생성한 부모 스레드의 그룹과 우선순위를 상속 받기 때문

(이미지 출처 : https://skyjumps.tistory.com/?page=69)

3. 멀티 스레드

3-1. 개요

하나의 프로세스를 여러 스레드로 구성, 각 스레드로 하여금 하나의 작업을 처리하도록 하는 것

→ 어려운 말로 하자면 하나의 프로세스를 다수의 실행 단위로 구분하여 자원을 공유하고 자원의 생성과 관리의 중복성을 최소화 하여 수행 능력을 향상 시키는 것

보다 쉬운 예시 : 스타크래프트의 캐리어를 생각해보자.
- 캐리어 : 프로세스, 인터셉터 : 스레드
- 프로세스가 여러 스레드를 태우고 일을 처리하는 형태
- 캐리어가 터지면 인터셉터들도 다 터짐 → 하나의 프로세스가 끝나면 스레드가 일을 하고 있어도 끝나버림
- 하나의 프로세스가 병렬 처리를 위해 작은 단위의 스레드를 돌리는 것이라고 생각하자

(인터셉터 예제로 이해는 가긴 가는데....) → 하나의 프로그램에서 여러 개의 일을 수행할 수 있도록 해주는 것

3-2. 멀티 스레드 사용 이유

멀티 프로세스를 이용하여 동시에 처리하던 일을 멀티 스레드로 구현할 경우 메모리 공간과 시스템 자원 소모가 줄어들게 됨

잠깐 멀티 프로세스는 또?????
- 마찬가지로 하나의 응용 프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성한 것 → 병렬 처리된 게 프로세스냐 스레드냐 차이 (물론 큰 차이가 존재하긴 하지만 이해 하는 차원에서...)
이쯤에서 짚어보자 : 멀티 프로세스와 멀티 스레드의 차이
- 멀티 프로세스는 data, heap, stack 영역 모두 비공유
- 멀티 스레드는 stack만 비공유 → data와 heap을 공유하고 있다는 것은 장점이 되면서 동시에 멀티 스레드의 약점으로 작용
- 멀티 스레드는 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 과정도 줄어들 뿐만 아니라 콘텍스트 스위칭하는 것보다 오버헤드를 줄일 수 있음(으음....?? 콘텍스트 스위칭 글 : https://beststar-1.tistory.com/26 → 스케줄러가 기존 실행 프로세스를 우선 순위 때문에 미뤄버리고 새 프로세스로 교체해야 할 때 프로세스 상태 값을 교체하는 작업) ⇒ 프로세스간의 컨텍스트 스위칭은 CPU 레지스터 교체 뿐만 아니라 RAM과 CPU 사이의 캐쉬 메모리에 대한 데이터 까지 초기화(쉽게 말해 오버헤드가 큼)
- 멀티 스레드간 heap과 data영역은 공유되기 때문에 스레드간의 통신 비용이 훨씬 작아짐

한마디로 멀티 프로세스 기반보다 더 적은 자원과 시간을 들여서 처리할 수 있다는 것

3-3. 멀티 스레드의 문제점

반복되는 이야기지만 멀티 스레드는 스레드들간 heap과 data 영역을 공유 → 어떤 스레드가 다른 스레드에서 사용중인 변수나 자료 구조에 접근하여 엉뚱한 값을 읽어오거나 수정할 수 있음

서로 간섭할 수 있는 가능성으로 설계와 디버깅이 까다로움

프로세스 밖에서 동작하고 있는 스레드를 제어할 수 없음

치명적인 문제 중 하나로 병렬 처리된 스레드 하나에 문제가 발생하면 프로세스 전체에 영향을 줌

(이미지 출처 : https://www.crocus.co.kr/1510)

heap 영역과 stack 영역의 공유로 발생하는 문제를 해결하기 위해 동기화 작업을 진행

그러나 이러한 동기화 작업은 스레드들간 작업 처리 순서를 컨트롤 하고 공유 자원에 대한 접근을 컨트롤함
이로 인해 병목 현상이 발생 → 동기화를 할 때에는 메소드 전체를 동기화 할 것인지, 특정 부분만 동기화 할 것인지 성능에 대한 고민 필요

4. 스레드 동기화

4-1. 개요

여러 스레드가 하나의 리소스를 사용하려 할 때 사용하려는 스레드를 제외한 나머지 스레드는 접근하지 못하게 막는 것

공유 자원 접근 순서에 따라 실행 결과가 달라지는 프로그램의 영역을 임계 구역이라고 부름 → 수비게 말해 둘 이상의 스레드가 동시에 접근해서는 안되는 공유 자원에 한 번에 하나의 스레드만 이용하게끔 보장해주는 영역

임계 구역 조건

상호 배제 : 한 스레드가 임계 구역에 들어가면 다른 스레드는 임계 구역에 들어갈 수 없음
한정 대기 : 하나의 스레드가 계속 자원을 사용하고 있어 다른 스레드가 사용하지 못한 채 무한정 기다리면 안됨 → 무한 대기하면 안됨. 특정 스레드가 임계 구역에 진입하지 못하면 안됨
진행의 융통성 : 한 스레드가 다른 스레드의 작업을 방해해서는 안됨

4-2. 스레드 동기화 방법의 종류

mutex, semaphore, monitor → 운영체제의 동기화 기법

뮤텍스(mutex)
- 스레드의 동시 접근을 허용하지 않음
- 뮤텍스 동기화는 임계 영역에 들어가기 위해 뮤텍스를 들고 있어야 함 → 임계 영역에 들어간 스레드가 뮤텍스를 이용해 내부에서 다른 스레드가 못 들어오게 잠금
- 변기가 1개인 화장실
  
  (이미지 출처 : 나)
세마포어(semaphore)
- 뮤텍스와 비슷하지만 접근 순서 동기화임
- 변기가 여러개인 화장실 → 다른 변기가 비면 그 자리에 들어갈 수 있음
  
  (이미지 출처 : 나)
모니터(monitor)
- 뮤텍스와 상태값(condition variables, queue)를 가지고 있는 동기화 메커니즘
- 모니터는 하나의 프로세스 내에 다른 쓰레드 간에 동기화 할 때 사용 → 뮤텍스는 다른 프로세스간 동기화할 때 사용
- 자바에서는 모니터를 모든 객체가 사용할 수 있도록 기본적으로 제공
- 세마포어는 카운터라는 변수값으로 개발자가 매번 값을 따로 지정해줘야 함 → 반면 모니터는 이러한 일들이 캡슐화가 되어 있어서 카운터 값을 줄 필요 없이 synchronized(), wait(), notify() 등의 키워드를 이용해 좀 더 편하게 동기화 가능
- syncronized : 메소드 전체 혹은 특정 영역을 임계 구역으로 지정 → 임계 구역을 최소화 할 수 있도록 해야함
- wait() : 동기화된 임계 영역의 코드를 수행하다가 작업을 더 이상 진행할 상황이 아니라면 wait을 호출해 스레드가 락을 반납하고 기다리게 함
- notify() : 다시 진행할 수 있는 상황이 오면 notify()를 호출해 작업을 중단한 스레드가 다시 락을 얻음 → 이 때 가장 오래 기다린 스레드가 락을 얻을 수 있다는 보장이 없고 스레드가 오래 기다리는 기아 현상이 발생 → notiyAll()을 사용하면 되나 이 경우 모든 스레드가 연락을 받고 필요하지도 않은 lock을 얻기 위해 경쟁 상태에 들어가는데 이것도 방지하기 위해 각 스레드를 구별해서 연락하는 것이 필요

(이미지 출처 : https://velog.io/@ruthetum/JAVA-Thread-Multitasking, 명품 JAVA 프로그래밍 (황기태, 김효수 저))

4-3. 데드락

두 개 이상의 작업이 서로 상대방의 작업이 끝나기를 기다리기만 하고 작업이 완료되지 못하는 상태

둘 이상의 스레드가 lcok을 획득하기 위해 대기중 → 이 때 해당 lock을 보유한 다른 스레드 역시 또 다른 lock을 기다리며 block 상태에 놓이는 것 → 즉 다수의 스레드가 같은 lock을 동시에 다른 명령에 의해 획득하려 할 때 발생

데드락 발생 원인
- 상호 배제 : 자원이 임계구역에서 보호되고 있다면 스레드끼리 동시에 사용할 수 없고 데드락 상태에 빠짐
- 비선점 : 자원을 얻기 위해 다른 스레드가 해당 자원을 놓아줄 때까지 기다리며 데드락 상태에 빠짐
- 점유와 대기 : 이미 자원 하나를 사용하고 있는 중에 다른 자원을 기다리게 되면 소유중인 자원을 기다리는 스레드가 발생하고 데드락에 빠짐
- 원형 대기 : 자원을 요구하는 방향이 원을 이루면 (둥글게 둥글게) 서로 자원에 대한 양보를 하지 않기 때문에 데드락에 빠짐

*REFERENCE

https://irerin07.tistory.com/151
https://honbabzone.com/java/java-thread/#step-6--스레드-그룹
https://www.crocus.co.kr/1510
https://velog.io/@ruthetum/JAVA-Thread-Multitasking
https://goodgid.github.io/What-is-Multi-Thread/#멀티-프로세스와-멀티-쓰레드의-차이점
http://www.tcpschool.com/java/java_thread_concept
https://gmlwjd9405.github.io/2018/09/14/process-vs-thread.html
https://goodgid.github.io/What-is-Thread/
https://beststar-1.tistory.com/26
https://beststar-1.tistory.com/6

봄도둑

Java Spring 백엔드 개발자입니다. java 외에도 다양하고 흥미로운 언어와 프레임워크를 학습하는 것을 좋아합니다.