멀티 쓰레드의 공유자원
쓰레드가 동시성으로 실행될 때 여러 쓰레드가 동시에 접근 가능한 자원을 공유자원이라고 합니다.
class MyClass{
int val;
public void sum() {
System.out.println("더하기 !!");
val++;
System.out.println("결과값 : " + val);
}
}
class MyThread implements Runnable{
MyClass mc;
public MyThread(MyClass mc) {
this.mc = mc;
}
@Override
public void run() {
mc.sum();
}
}
public class ThreadTest {
public static void main(String[] args) {
MyClass mc = new MyClass();
//10개의 쓰레드가 동시에 하나의 레퍼런스에 접근하고 있음
for(int i = 0; i < 10; i ++) {
new Thread(new MyThread(mc)).start();
}
}
/* 출력 :
더하기 !!
더하기 !!
결과값 : 1
더하기 !!
결과값 : 3
더하기 !!
결과값 : 4
더하기 !!
결과값 : 5
더하기 !!
결과값 : 6
더하기 !!
결과값 : 7
결과값 : 2
더하기 !!
결과값 : 8
더하기 !!
더하기 !!
결과값 : 10
결과값 : 9
*/
}위와 같이 하나의 자원을 공유하는 쓰레드가 만들어질 수 있습니다. 이 때 쓰레드의 수행 순서는 우선순위가 같다면 정해지지 않은 순서로 수행됩니다. 따라서 각 val++ 의 연산과 System.out.print() 간에 다른 쓰레드가 다시 val++ 의 연산을 수행할 수 있으므로 결과는 매 실행마다 다르게 출력됩니다.
멀티 쓰레드 공유자원 접근
공유자원에 대해 더 알아보기 위해 다음과 같은 코드를 작성해봅니다.
class MyClass{
int val;
public void sum() {
if(val < 5) {
try {
Thread.sleep(500);
} catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("더하기 !!");
val++;
}
System.out.println("결과값 : " + val);
}
}
/* 출력 :
더하기 !!
더하기 !!
더하기 !!
더하기 !!
더하기 !!
더하기 !!
결과값 : 6
결과값 : 5
결과값 : 4
결과값 : 4
결과값 : 4
결과값 : 4
더하기 !!
결과값 : 7
더하기 !!
결과값 : 8
더하기 !!
결과값 : 9
더하기 !!
결과값 : 10
*/
}mc.val 이 5 미만일 경우에만 val++ 연산을 하도록 했는데 10 까지 결과값을 확인할 수 있습니다. 이는 각 쓰레드가 if 문을 통과하고 val++ 연산 이전에 다른 쓰레드도 if 문을 통과할 수 있기 때문입니다.
위와 같이 멀티 쓰레드 환경에서 공유자원에 대한 작업을 하게되면 원하는 결과를 출력하지 않을 수 있습니다. 그래서 멀티쓰레드 환경에서 synchronized 를 통한 동기화로 공유자원에 대한 임계영역을 설정해야합니다.
쓰레드 동기화
공유자원에 대하여 원자성을 확보하기 위해 synchronized 를 사용할 때, synchronized 메서드와 synchronized 블럭을 사용할 수 있습니다.
synchronized method
메서드의 제어자에 synchronized 키워드를 작성하여 임계영역을 설정할 수 있습니다. synchronized 메서드가 호출되면 해당 메서드의 객체는 호출한 쓰레드에게 Lock Flag를 전달하며 해당 쓰레드 외에 공유객체를 필요로 하는 쓰레드는 Running 상태가 될 수 없으며 Lock Flag 가 반납될 때까지 Waiting Pool의 Lock pool에서 대기하게 됩니다.
class MyClass{
int val;
//synchronized 추가
public synchronized void sum() {
if(val < 5) {
try {
Thread.sleep(500);
} catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("더하기 !!");
val++;
}
System.out.println("결과값 : " + val);
}
}
/* 출력 :
더하기 !!
결과값 : 1
더하기 !!
결과값 : 2
더하기 !!
결과값 : 3
더하기 !!
결과값 : 4
더하기 !!
결과값 : 5
결과값 : 5
결과값 : 5
결과값 : 5
결과값 : 5
결과값 : 5
*/
}어떤 쓰레드가 sum() 메서드에 접근하게 되면 해당 쓰레드는 mc 객체에 대한 Lock Flag 를 갖게되고 다른 쓰레드는 mc 에 대해 접근할 수 없습니다.
class MyClass{
int val;
}
class MyThread implements Runnable{
MyClass mc;
public MyThread(MyClass mc) {
this.mc = mc;
}
@Override
public void run() {
sum();
}
public synchronized void sum() {
if(mc.val < 5) {
try {
Thread.sleep(500);
} catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("더하기 !!");
mc.val++;
}
System.out.println("결과값 : " + mc.val);
}
}
/* 출력 :
더하기 !!
더하기 !!
더하기 !!
더하기 !!
더하기 !!
결과값 : 4
결과값 : 5
더하기 !!
결과값 : 6
더하기 !!
결과값 : 7
더하기 !!
결과값 : 8
더하기 !!
결과값 : 9
더하기 !!
결과값 : 4
결과값 : 5
결과값 : 5
결과값 : 10
*/
}하지만 위와 같이 사용하게 된다면 sum() 메서드는 mc 객체에 임계영역을 설정하는 것이 아닌 synchronized 가 작성된 sum() 의 객체인 쓰레드에게 임계영역을 지정하는 것이므로 mc 객체에 모든 쓰레드가 한번에 접근할 수 있습니다.
synchronized 블럭
synchronized(공유 객체){} 로 블럭을 설정하면 블럭이 수행되는 동안 해당 쓰레드가 공유 객체에 대한 Lock flag를 가져갈 수 있습니다. 메서드 전체에 임계영역을 설정하는 것이 아닌 블럭 내에만 설정하므로 Lock flag 점유 시간을 더 효율적으로 사용할 수 있습니다.
class MyClass{
int val;
}
class MyThread implements Runnable{
MyClass mc;
public MyThread(MyClass mc) {
this.mc = mc;
}
@Override
public void run() {
synchronized (mc) {
if(mc.val < 5) {
try {
Thread.sleep(500);
} catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("더하기 !!");
mc.val++;
}
System.out.println("결과값 : " + mc.val);
}
}
}
// 출력 생략..
}
synchronized 블럭으로 mc 객체에 대한 lock flag 를 하나의 쓰레드만 보유할 수 있습니다. 따라서 블럭 내의 동작들은 순차적으로 수행됩니다.
wait() - notify() - notifyAll()
wait()
해당 쓰레드가 공유 자원에 대한 Lock을 소유하더라도 현재 수행이 불가능하다면 Lock을 잠시 반납할 수 있습니다. wait() 메소드 호출을 통해 잠시 반납합니다.
쓰레드 내에서 synchornized 블럭 혹은 메서드에서 Lock 된 어떤 공유 객체에 대하여 wait() 메서드를 통해 Lock을 잠시 해제합니다.
public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;
public final void wait(long timeout, int nanos) throws InterruptedException {
//...
}
public final void wait() throws InterruptedException {
wait(0);
}쓰레드 객체의 wait() 메서드를 호출하게되면 해당 쓰레드는 Lock flag 를 반납하고 Wating Pool에서 대기하며, 대기 하는 동안 Interrupt가 발생할 수도 있기 때문에 인터럽트 예외를 처리해야합니다. 또한 wait() 메서드의 매개변수를 통해서 얼마만큼의 시간을 대기한 후 깨어날 지 설정할 수 있으며 wait(0) 인 경우 notify() 메서드가 호출될 때까지 계속 대기합니다.
notify(), notifyAll()
notify() , notifyAll() 메서드는 wait() 메서드로 공유자원에 Lock을 잠시 해제하고 Waiting Pool에 대기하고 있는 쓰레드에게 작업이 완료되었음을 알립니다.
public final native void notify();
public final native void notifyAll();notify()는 Wating Pool에 대기하는 임의의 쓰레드를 깨우며, notifyAll()은 대기중인 Waiting Pool의 모든 쓰레드에게 알립니다. notify() 는 해당 쓰레드의 우선순위 값과 관련없이 임의의 쓰레드를 깨우므로 높은 우선순위의 쓰레드가 계속 대기할 수 있으니 notifyAll() 메서드를 통해 JVM 스케줄러가 우선순위에 따라 Running 상태로 이동시키게 하는 것이 더 효율적일 수 있습니다.
사용
wait(), notify() 그리고 notifyAll() 메서드는 Object 클래스와 Thread 클래스에 정의되어 있습니다. Object 클래스의 메서드를 호출하게 되면 메서드를 수행한 쓰레드에 대해서 wait() 을 동작하게 되고 Thread 클래스의 wait() 으로 임의의 쓰레드에게 대기 명령을 줄 수 있습니다.
Dead-Lock, Starvation
Dead-Lock
교착 상태, 이중 잠금. 서로 공유 객체를 필요로 하는데, Lock flag를 서로가 갖고 있어 접근이 제한되어 서로 무한 대기상태가 되는 것을 말합니다.
Starvation
기아 상태, 쓰레드 간 우선순위의 차이로 인해서 높은 우선순위를 가진 쓰레드가 Lock Flag 를 계속 획득하여 낮은 우선순위를 가진 쓰레드는 Lock flag를 계속해서 얻지 못하고 고갈되는 상태를 말합니다.
Deprecated Method
Java 8 기준으로 Thread 클래스의 stop(), suspend(), resume(), destroy() 메서드는 deprecated 되었습니다. 각 메서드는 쓰레드의 lock flag 및 다른 점에서 문제점을 야기합니다.
stop()
stop() 메서드는 수행되면 모든 lock을 해제하고 쓰레드를 강제 종료합니다. 이 과정에서 공유객체는 불완전해질 수 있습니다.
suspend(), resume()
suspend() 메서드가 호출되면 해당 쓰레드는 resume() 메서드가 호출될 때까지 Waiting Pool에서 대기합니다. 이 때 쓰레드는 갖고 있던 Lock Flag 를 반환하지 않으므로 resume() 메서드를 수행하는 쓰레드가 해당 Lock Flag를 필요로 한다면 Dead-Lock 상태에 빠지게 됩니다.
destroy()
destroy() 메서드는 쓰레드를 강제로 종료시킵니다. 이 때 Lock Flag를 반환하지 않기 때문에 Lock Flag를 필요로 하는 다른 쓰레드에게 Starvation 이 발생할 수 있습니다.
무야호