JAVA 멀티스레드 프로그래밍

이상민·2021년 8월 6일

Java

멀티스레드

멀티태스킹 : 하나의 프로그램이 여러 개의 작업을 동시에 처리해 성능을 높이기 위한 기법
영상 플레이어를 간단하게 태스크 기준으로 나눠보면 아래처럼 나눌 수 있다. 멀티스레드를 이용하면 이 작업들간 의존성 없이 여러 작업을 동시에 할 수 있다
1) 소리 재생 태스크
2) 영상 재생 태스크
3) 사용자 입력 처리 태스크

스레드 : 프로세스 내에서 스케줄링되어 실행되는 실행의 단위

1. Thread 클래스와 Runnable 인터페이스

run() 메소드가 종료하면 스레드는 종료한다
한번 종료한 스레드는 다시 시작할 수 없고 새로운 스레드 객체를 생성해야한다
한 스레드에서 다른 스레드를 강제 종료할 수 있다

1-1. Thread 클래스

Thread 클래스는 스레드를 만들기 위한 클래스이다. run() 메소드를 오버라이딩해 원하는 동작을 하는 스레드를 위한 클래스를 만들 수 있다

class ExampleThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        /* 코드 */
    }
}

다음과 같이 스레드 인스턴스를 생성하고 실행한다

// 오버라이딩한건 run() 메소드이지만 th.run()을 호출하면 해당 메소드의 코드만 실행한다
// run() 메소드 내의 코드를 스레드로서 실행하려면 start() 메소드를 실행한다 
Thread th = new ExampleThread();
th.start()

스레드 클래스 공식 문서 : https://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/lang/Thread.html

1-2. Runnable 인터페이스

Runnable 인터페이스는 실행가능한지만 나타내는 함수형 인터페이스이다

public interface Runnable {
    void run();
}

Runnable 인터페이스를 구현한 클래스의 인스턴스를 받는 생성자를 통해 스레드를 생성할 수도 있다

class ExampleRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        /* 코드 */
    }
}

다음과 같이 스레드 인스턴스를 생성하고 실행한다

Thread th = new Thread(new ExampleRunnable());
th.start();

Runnable 구현 인스턴스를 받는 Thread 클래스의 생성자는 다음과 같다

public Thread(Runnable target) {
    this((ThreadGroup)null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0L);
}

2. 스레드 스케쥴링

현대의 자바는 Native Thread Model을 따른다. JVM에서 스레드를 생성하고 관리하기는 하지만 호스트 운영체제의 스레드 API를 사용해 운영체제 레벨 스레드로 맵핑된다. Native Thread Model을 따를 경우 실제 스레드의 스케쥴링은 운영체제가 한다
JVM의 스레드 구현에 대한 간단한 글을 여기서 읽을 수 있다
https://www.developer.com/design/an-introduction-to-jvm-threading-implementation/
스레드는 다음과 같은 정보를 가진다

필드	타입	내용
스레드 이름	String	스레드의 이름으로 사용자가 지정
스레드 ID	int	스레드 고유의 식별번호
스레드 PC	int	현재 실행 중인 스레드의 코드 주소
스레드 상태	int	NEW, RUNNABLE, WAITING, TIMED_WAITING, BLOCK, TERMINATED 중 하나
스레드 우선순위	int	스레드 스케줄링 시 사용되는 우선순위 값으로 1~10 사이의 값이며 10이 최상위 우선순위 기본값은 5
스레드 그룹	int	여러 개의 자바 스레드가 하나의 그룹을 형성할 수 있으며 이 경우 스레드가 속한 그룹
스레드 레지스터 스택	메모리 블록	스레드가 실행되는 동안 레지스터들의 값

2-1. 스레드의 상태와 생명주기

NEW : 생성됐지만 아직 실행할 준비 X
RUNNABLE : 현재 실행되고 있거나 실행 준비되어 스케줄링 큐에서 대기 중
WAITING : wait()을 호출한 상태. 다른 스레드가 notify()하기를 기다림
TIMED_WAITING : sleep()에서 지정한만큼 suspend된 상태
BLOCK : 스레드가 I/O 작업을 요청하면 JVM이 자동으로 BLOCK 상태로 만듦
TERMINATED : 종료한 상태

3. 스레드 동기화

3-1. 임계 구역 지정

synchronized 키워드로 임계 구역을 지정해 스레드를 동기화한다
Thread 클래스는 모니터를 임계 구역 문제 해결법으로 사용한다
- 먼저 실행한 스레드가 모니터(임계 구역 독점 권한)를 소유하고 다른 스레드는 모니터를 내놓을때까지 대기한다

public class SynchronizedEx {
    public static void main(String [] args) {
        SharedBoard board = new SharedBoard();
        Thread th1 = new StudentThread("kitae", board);
        Thread th2 = new StudentThread("hyosoo", board);
        th1.start();
        th2.start();
    }
}

class SharedBoard {
    private int sum = 0; // 집계판의 합
    synchronized public void add() {
        int n = sum;
        Thread.yield(); // 현재 실행 중인 스레드 양보
        n += 10; // 10 증가
        sum = n; // 증가한 값을 집계합에 기록
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + sum);
    }
    public int getSum() { return sum; }
}

class StudentThread extends Thread {
    private SharedBoard board; // 집계판의 주소
    public StudentThread(String name, SharedBoard board) {
        super(name);
        this.board = board;
    }

    @Override
    public void run() {
        for(int i=0; i<10; i++)
            board.add();
    }
}

3-2. wait()-nofity()를 통한 동기화

producer-consumer 문제 : 데이터를 공급하는 스레드와 소비하는 스레드가 있을때 buffer 같은 중간 단계 객체가 있는 경우 producer와 consumer 모두 공유 데이터에 접근할 때 문제가 발생할 수 있다
이럴때는 동기화 메소드를 사용할 수 있다

import javax.swing.*;
import java.awt.*;
import java.awt.event.*;

class MyLabel extends JLabel {
	int barSize = 0; // 바의 크기
	int maxBarSize;
	
	MyLabel(int maxBarSize) { 
		this.maxBarSize = maxBarSize;
	}
	
	public void paintComponent(Graphics g) {
		super.paintComponent(g);
		g.setColor(Color.MAGENTA);
		int width = (int)(((double)(this.getWidth()))
				/maxBarSize*barSize);
		if(width==0) return; 
		g.fillRect(0, 0, width, this.getHeight());
	}
	
	synchronized void fill() {
		if(barSize == maxBarSize) {
			try {
				wait(); 
			} catch (InterruptedException e) { return; }
		}
		barSize++;
		repaint(); // 바 다시 그리기
		notify(); 
	}
	synchronized void consume() {
		if(barSize == 0) {
			try {
				wait(); 
			} catch (InterruptedException e)
				 { return; }
		}
		barSize--;
		repaint(); // 바 다시 그리기
		notify(); 
	}	
}

class ConsumerThread extends Thread {
	MyLabel bar;
	
	ConsumerThread(MyLabel bar) {
		this.bar = bar;
	}
	public void run() {
		while(true) {
			try {
				sleep(200);
				bar.consume(); 
			} catch (InterruptedException e)
			 { return; }
		}
	}
}
public class TabAndThreadEx  extends JFrame {
	MyLabel bar = new MyLabel(100); 	
	TabAndThreadEx(String title) {
		super(title);
		this.setDefaultCloseOperation
				(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
		Container c = getContentPane();
		c.setLayout(null);
		bar.setBackground(Color.ORANGE);
		bar.setOpaque(true);
		bar.setLocation(20,  50);
		bar.setSize(300, 20); 
		c.add(bar);
		
		c.addKeyListener(new KeyAdapter() {
			public void keyPressed(KeyEvent e) 
			{
				bar.fill(); 
			}
		});
		setSize(350,200);
		setVisible(true);
		
		c.requestFocus(); 
		ConsumerThread th = new 
			ConsumerThread(bar); 
		th.start(); // 스레드 시작
	}

	public static void main(String[] args) {
		new TabAndThreadEx(
			"아무키나 빨리 눌러 바 채우기");
	}
}