Java Thread

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Java Thread

프로세스와 스레드

프로세스(Process): cpu에 의해 메모리에 올라가 실행중인 프로그램
- 자바 은 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

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
- 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
Thread 클래스를 상속 받아 생성하는 방법(run() 메서드 오버라이딩)
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

Java에서 스레드 풀 사용하기

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

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