Java Thread

프로세스와 스레드

프로세스와 스레드 참고

• 프로세스(Process): cpu에 의해 메모리에 올라가 실행중인 프로그램

  • 자바 JVM은 주로 하나의 프로세스로 실행되며, 동시에 여러 작업을 수행하기 위헤 멀티 스레드를 지원함

• 스레드(Thread): 프로세스 안에서 실질적으로 작업을 실행하는 단위

  • Java에서 스레드는 JVM에 의해 관리됨

단일 스레드 VS 멀티 스레드

• 단일 스레드(single Thread)

  • 하나의 프로세스 내에서 하나의 스레드만 실행되는 것(순차 실행)

  • 프로그램이 하나의 작업만 처리할 수 있다는 의미이며, 다른 작업이 실행되기 전에 현재 작업이 완료되어야 함

  • 멀티 태스킹을 지원하지 않고 하나의 태스크만 처리할 수 있으므로 처리량이 낮아짐

• 멀티 스레드(Multi Thread)

  • 하나의 프로세스 내에서 여러 스레드를 동시에 실행시키는 방법(병행 실행)

  • 스레드가 동시에 여러 작업을 처리할 수 있기 때문에 시스템의 성능을 향상할 수 있음

  • 프로그램의 작업을 분할하여 처리하기 때문에 다양한 작업을 동시에 처리하여 빠르고 효율적으로 실행할 수 있지만, 스레드 간의 동기화 등을 고려하여 프로그래밍해야 함

+ 스레드 유형(KLT vs ULT)

스레드 유형은 크게 커널 수준 스레드(Kernel-Level Threads, KLT)와 사용자 수준 스레드(User-Level Threads, ULT)로 분류됨

• 커널 수준 스레드(KLT)

  • 운영체제 시스템 내에서 생성되어 동작하는 스레드로, 스레드의 생성과 스케줄링 및 관리를 OS 커널이 직접 담당함

  • 자원 관리 및 멀티프로세싱 환경에서의 스케줄링 측면 장점이 있으나, 스레드 생성 및 컨텍스트 스위칭에 높은 오버헤드가 있을 수 있음

• 사용자 수준 스레드(ULT)

  • 사용자 영역의 라이브러리나 애플리케이션에 의해 생성 및 관리되는 스레드로, 운영 체제의 커널로부터 독립적으로 스케줄링되며 스레드 관리에 필요한 모든 작업을 사용자 영역에서 처리하는 스레드

  • 스레드 생성 및 컨텍스트 스위칭이 빠르다는 장점이 있지만, 일부 리소스를 공유하는 작업에서 커널의 도움이 필요할 수 있음

Java에서 스레드

• 자바에는 프로세스가 존재하지 않고, 스레드 개념만 존재하여 JVM은 멀티스레딩만 지원함

  • 한 컴퓨터에서 N개의 자바 응용 프로그램이 실행되고 있다면, 그것은 N개의 JVM이 실행되고 있는 것

  • 따라서 각 자바 응용프로그램은 별개의 메모리 영역에서 독립적으로 실행됨

• 모든 자바 애플리케이션은 JVM에서 제공되는 하나의 메인 스레드를 갖고 있고, 메인 스레드가 main() 메소드를 실행하면서 애플리케이션이 시작됨

  • 메인 스레드는 필요에 따라 작업 스레드를 만들어 병렬로 코드를 실행할 수 있음

• JVM은 여러 스레드를 한 번에 실행할 수 있고, 이 때 우선순위에 따라 먼저 실행되는 스레드가 결정됨

자바 스레드와 JVM

JVM 참고 자바에서 스레드를 생성하면, 이는 JVM 위에서 실행되는 스레드 인스턴스로 나타나고, 자바 스레드는 JVM 내부적으로 운영체제의 스레드와 매핑되어 관리됨

• 자바 스레드는 JVM에서 User Thread(ULT)를 생성할 때 Java Native Interface(JNI)로 커널 영역을 호출하여 생성된 커널 스레드(KLT)와 매핑하여 작업을 수행하는 형태

  • 유저 수준 스레드(ULT)이지만, 내부적으로 JVM은 커널 수준 스레드(KLT)를 사용함

  • 커널 스레드 풀에 있는 커널 스레드에서 이용할 수 있도록 위임하여 유저 스레드와 커널 스레드가 1:1 매핑을 통해 동작함

• JVM에서 스레드를 생성할 때마다 커널에서 자바 스레드와 대응하는 커널 스레드를 생성함

  • 자바에서는 플랫폼 스레드로 정의되어 있고, OS 플랫폼에 따라 JVM이 사용자 스레드를 OS의 네이티브 스레드에 매핑하여 관리함

  • 따라서 스레드 스케쥴링 역시 OS의 스케쥴링 정책을 그대로 따라감

Native Thread

• 초기 자바에서는 JVM이 사용자 수준 스레드를 생성하고 관리 및 스케줄링을 했었음.

  • 이렇게 자바에서 생성된 스레드를 Green Thread라고 부르며, CPU를 하나 밖에 사용하지 못해서 멀티 코어 환경에서 단점으로 작용함

• 이후 JNI를 이용하여 커널 수준 스레드를 생성 및 매핑하여 사용할 수 있는 Native Thread가 자바의 기본 스레드 모델이 되었음

  • JNI를 이용하여 C++ 언어로 작성된 코드를 실행하여 스레드를 생성하는 방식

• 이 때문에 자바의 java.lang.Thread 클래스를 통해 생성하는 java thread는 사용자 수준 스레드지만, 내부적으로 JVM은 커널 수준 스레드를 사용함

  • 자바의 java.lang.Thread 클래스를 통해 스레드를 생성하고 start() 메소드를 실행하게 되면 start0() 네이티브 메소드가 실행됨

자바에서 Thread 생성 방법

Java에서 작업 Thread를 생성하는 방법은 크게 두 가지가 존재함

1. Thread 클래스를 상속 받아 생성하는 방법(run() 메서드 오버라이딩)

2. Runnable 인터페이스를 구현하여 생성하는 방법(run() 메서드 구현)

• 보통은 Runnable 인터페이스를 구현하는 방법으로 많이 생성하여 사용함

  • Java의 extends의 상속 방식은 하나의 Class만 가능하므로, Thread를 사용하기 위해 한 번의 상속을 사용한다면 다른 클래스를 더 이상 상속할 수 없기 때문 상속 기능이 제한된다.

• 단, Runnable을 구현하여 스레드를 생성하는 경우, 객체 참조변수를 인자값으로 하는 Thread를 생성하여 사용해야 함

• 반면, java.lang.Thread 클래스를 상속받아 사용하는 경우, 실행 스레드로 자신의 콜 스택을 가진 독립적인 프로세스가 됨

1. java.lang.Thread

import java.lang.Thread;

public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // 수행 코드
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread thread =  new MyThread();
        thread.start();
    }
}

• 상속받은 클래스 자체를 스레드로 사용 가능하며, run() 메서드를 오버라이드하여 작업 스레드가 실행할 코드를 작성함

• MyThread 클래스의 인스턴스를 만들어 start() 메서드로 시작시키면 Thread 클래스의 run() 메서드가 호출되어 작업 스레드가 실행됨

2. Runnable Interface

import java.lang.Thread;

public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 수행 코드
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable myRunnable =  new MyRunnable();
        Thread thread = new Thread(myRunnable);

        thread.start();
    }
}

• MyRunnable 클래스의 인스턴스를 Thread 클래스의 생성자에 전달하여 Thread 객체를 생성

• Thread 객체를 start() 메서드로 시작시키면 Runnable 인터페이스의 run() 메서드가 호출되어 작업 스레드가 실행됨

Thread 실행

run() 호출이 아닌, start() 메서드를 호출을 해야함!

Thread thread = new Thread(() -> System.out.println("Thread running"));

thread.run();   // 잘못된 사용: 새로운 스레드 생성되지 않음
thread.start(); // 올바른 사용: 새로운 스레드에서 run() 메서드 실행됨

• run() 메소드의 사용은 main()의 콜 스택 하나를 이용하는 것으로 스레드 활용이 아님

  • 스레드를 사용한다는 것은, JVM이 다수의 콜 스택을 번갈아가면서 일처리를 하는 것이기 때문

• start() 메소드를 호출하는 것은, 스레드가 작업을 실행하는데 필요한 콜 스택을 생성 후, run()을 호출하여 그 안에 run()을 저장할 수 있도록 함

  • JVM이 스레드를 위한 콜 스택을 만들어 준 후 context switching을 통해 동작하도록 해줌

  • 새로운 콜 스택을 만들어 작업해야 스레드 일처리가 되는 것이므로 start() 메소드를 사용해야 함

Java 스레드 동기화

Java Synchronized 참고

Java에서 스레드 풀 사용하기

Thread Pool 참고

• 스레드 풀(Thread Pool)은 미리 정의된 수의 스레드를 생성하고, 작업 큐에 들어오는 작업들을 효율적으로 처리할 수 있도록 관리함

• Java에서는 스레드 풀을 생성하고 사용할 수 있도록 java.util.concurrent 패키지에서 ExecutorService 인터페이스와 Executors 클래스를 제공함

  • Executors 클래스의 다양한 정적 메소드를 통해서 ExecutorService 구현체를 만들어서 사용할 수 있고, 이것이 바로 스레드 풀임

1. Executor 인터페이스

public interface Executor {
    void execute(Runnable command);
}

Executor executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
executor.execute(() -> System.out.println("Hello World"));

• execute() 메서드 딱 한 개 가지고 있음

• 실행 가능한(Runnable) 인스턴스를 받아 실행함

2. ExecutorService 인터페이스

ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
Future<String> future = executorService.submit(() -> "Hello World");
// some operations
String result = future.get();

• ExecutorService는 Executor를 확장하여 작업의 진행 상황을 제어하고 서비스의 종료를 관리하기 위한 많은 메소드가 포함되어 있음

  • Executors 클래스의 메소드 중에 하나를 이용해서 간편하게 생성할 수 있음

• submit() 메서드는 작업을 제출하고 Future 객체를 반환하여 결과를 얻을 수 있음

Executors 클래스

• Executors는 Executor, ExecutorService, ScheduledExecutorService 등을 위한 다양한 형태의 쓰레드 풀을 제공하는 정적 팩토리 메서드를 지원해주는 클래스

  Executors.newSingleThreadExecutor(); // 쓰레드가 1개인 ExecutorService를 리턴, 싱글 스레드에서 동작하는 작업 처리 시 사용함
  Executors.newFixedThreadPool();     // 인자 개수만큼 고정된 스레드풀을 생성
  Executors.newCachedThreadPool();    // 필요할 때 필요한 만큼 쓰레드풀을 생성
  Executors.newScheculedThreadPool(); // 일정 시간 뒤에 실행되는 작업이나, 주기적으로 수행되는 작업이 있다면 스케줄스레드 풀을 활용

• Executors 클래스 내 메서드들에서 공통적으로 사용하는 매개변수 중 이해할 필요가 있는 중요한 설정 매개변수들

  • corePoolSize: 쓰레드 풀의 핵심 크기, 쓰레드 풀이 유지해야 하는 최소한의 쓰레드 개수

  • maximumPoolSize: 쓰레드 풀의 최대 크기, 쓰레드 풀이 생성할 수 있는 최대 쓰레드 개수

  • keepAliveTime: 작업하지 않고 놀고 있는 쓰레드(=비활성 쓰레드)가 유지될 최대 시간

ThreadPoolExecutor

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
  this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
       Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
}

• Executors 클래스에 들어있는 newCachedThreadPool, newFixedThreadPool 등과 같은 팩토리 메소드에서 생성해주는 Executor에 대한 기본적인 내용이 구현되어 있는 클래스

• 팩토리 메소드를 사용해 만들어진 스레드 풀의 기본 실행 정책이 요구사항에 잘 맞지 않는다면 ThreadPoolExecutor의 생성자를 호출해 스레드 풀을 생성할 수 있

  • 생성자의 파라미터 값을 통해 스레드 풀 설정을 조절할 수 있음

스레드 풀 예시

// Executors 정적메서드를 통해 최대 스레드 개수가 2인 스레드 풀 생성 
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);

for(int i = 0; i < 10; i++){
    Runnable runnable = new Runnable() {
        
        @Override
        public void run() {
            //스레드에게 시킬 작업 내용
            ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = (ThreadPoolExecutor) executorService;
            
            int poolSize = threadPoolExecutor.getPoolSize(); //스레드 풀 사이즈 얻기
            String threadName = Thread.currentThread().getName(); //스레드 풀에 있는 해당 스레드 이름 얻기
            
            System.out.println("[총 스레드 개수:" + poolSize + "] 작업 스레드 이름: " + threadName);
        }
    };

    //스레드풀에게 작업 처리 요청
    executorService.execute(runnable);
    //executorService.submit(runnable);
    
    //콘솔 출력 시간 텀을 위해 sleep() 사용
    try {
        Thread.sleep(10);
    } catch (InterruptedException e) {
        // TODO Auto-generated catch block
        e.printStackTrace();
    } 
}

//스레드풀 종료
executorService.shutdown();

Ref

• [JAVA] 자바 스레드(Thread) 총정리

• [Java] Thread Pool(스레드 풀)

• [JVM] 자바 스레드와 리눅스 스레드, LWP, POSIX Thread