[자바의 정석] Ch13 쓰레드

Seri·2024년 7월 21일

프로세스와 쓰레드

프로세스

실행 중인 프로그램. 프로그램을 실행하면 OS로부터 실행에 필요한 자원(메모리)을 할당받아 프로세스가 된다.

멀티 쓰레딩

하나의 프로세스 내에서 여러 쓰레드가 동시에 작업을 수행하는 것이다. CPU의 코어가 한 번에 단 하나의 작업만 수행할 수 있으므로, 실제로 동시에 처리해야하는 쓰레드의 수는 언제나 코어의 개수와 일치한다. 각 코어는 아주 짧은 시간 동안 여러 작업을 번갈아 가며 수행함으로써 여러 작업들이 모두 동시에 수행되는 것처럼 보이게 한다.
[장점]

CPU 사용률을 향상시킨다.
자원을 보다 효율적으로 사용할 수 있다.
사용자에 대한 응답성이 향상된다.
작업이 분리되어 코드가 간결해진다.

* 싱글쓰레드와 멀티쓰레드
1. 싱글 코어에서 단순히 CPU만을 사용하는 계산작업이라면 오히려 멀티쓰레드보다 싱글쓰레드로 프로그래밍하는 것이 더 효율적이다.
해당 상황에서 두 개의 쓰레드로 작업한 시간이 싱글쓰레드로 작업한 시간보다 더 걸리게 되는데 그 이유는 쓰레드간의 작업 전환에 시간이 걸리기 때문이다. 작업 전환을 할 때는 현재 진행 중인 작업의 상태(다음에 실행해야 할 위치 - PC, 프로그램 카운터) 등의 정보를 저장하고 읽어오는 시간이 소요된다.
2. 두 쓰레드가 서로 다른 자원을 사용핮는 작업의 경우에는 싱글쓰레드 프로세스보다 멀티쓰레드 프로세스가 더 효율적이다.
예를 들면 사용자로부터 데이터를 입력받는 작업, 네트워크로 파일을 주고받는 작업, 프린터로 파일을 출력하는 작업과 같이 외부기기와의 입출력을 필요로 하는 경우가 이에 해당한다.

쓰레드의 우선순위

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.

쓰레드 그룹

서로 관련된 쓰레드를 그룹으로 다루기 위한 것으로 폴더를 생성해서 관련된 파일들을 함께 넣어서 관리하는 것처럼 쓰레드 그룹을 생성해서 쓰레드를 그룹으로 묶어서 관리할 수 있다.
쓰레드 그룹은 보안상의 이유로 도입된 개념으로 자신이 속한 쓰레드 그룹이나 하위 쓰레드 그룹은 변경할 수 있지만 다른 쓰레드 그룹의 쓰레드를 변경할 수는 없다.

데몬 쓰레드(daemon thread)

다른 일반 쓰레드의 작업을 돕는 보조적인 역할을 수행하는 쓰레드. 일반 쓰레드가 모두 종료되면 데몬 쓰레드는 강제적으로 자동 종료된다.
데몬 쓰레드는 무한루프와 조건문을 이용해서 실행 후 대기하고 있다가 특정 조건이 만족되면 작업을 수행하고 다시 대기하도록 작성한다.
예로는 가비지 컬렉터, 워드프로세서의 자동저장, 화면자동갱신 등이 있다.

쓰레드의 실행제어

쓰레드의 상태가 변화하는 과정
1. 쓰레드를 생성하고 start()를 호출하면 바로 실행되는 것이 아니라 실행 대기열에 저장되어 자신의 차례가 될 때까지 기다려야 한다. 실행대기열은 큐와 같은 구조로 먼저 실행대기열에 들어온 쓰레드가 먼저 실행된다.
2. 실행대기상태에 있다가 자신의 차례가 되면 실행상태가 된다.
3. 주어진 실행시간이 다 되거나 yield()를 만나게 되면 다시 실행대기상태가 되고 다음 차례의 쓰레드가 실행상태가 된다.
* yield(): 다른 쓰레드에게 양보한다.
4. 실행 중에 suspend(), sleep(), wait(), join(), I/O block에 의해 일시정지상태가 될 수 있다. I/O block은 입출력작업에서 발생하는 지연상태를 말한다. 사용자의 입력을 기다리는 경우를 예로 들 수 있는데 이런 경우 일시정지 상태에 있다가 사용자가 입력을 마치면 다시 실행대기 상태가 된다.
5. 지정된 일시정지시간이 다 되거나(time-out), notify(), resume(), interrupt()가 호출되면 일시정지상태를 벗어나 다시 실행대기열에 저장되어 자신의 차례를 기다리게 된다.
* interrupt(): 쓰레드의 interrupted상태를 바꾼다.
6. 실행을 모두 마치거나 stop()이 호출되면 쓰레드는 소멸된다.

쓰레드의 동기화

한 쓰레드가 진행 중인 작업을 다른 쓰레드가 간섭하지 못하도록 막는 것
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.
* wait(): 동기화된 임계 영역의 코드를 수행하다가 작업을 더 이상 진행할 상황이 아니면 wait()을 호출하여 쓰레드가 락을 반납하고 기다리게 한다. 그러면 다른 쓰레드가 락을 얻어 해당 객체에 대한 작업을 수행할 수 있게 된다.
* notify(): 나중에 작업을 진행할 수 있는 상황이 되면 notify()를 호출해서 작업을 중단했던 쓰레드가 다시 락을 얻어 작업을 진행할 수 있게 한다.
* 기아 현상: 계속 통지를 받지 못하고 오랫동안 기다리게 되는 현상. notifyAll()을 이용해서 모든 쓰레드에게 통지를 하면 다시 waiting pool에 들어가더라도 결국 lock을 얻어서 작업을 진행할 수 있다.

Lock, Condition

ReentrantLock: 재진입이 가능한 Lock
ReentrantReadWriteLock: 읽기에는 공유적이고, 쓰기에는 배타적인 Lock
StampedLock: ReentrantReadWriteLock에 낙관적인 Lock의 기능을 추가. 무조건 읽기 lock을 걸지 않고, 쓰기와 읽기가 충돌할 때만 쓰기가 끝난 후에 읽기 lock을 거는 것이다.