멀티쓰레드가 동작되고 있음을 확인할 수 있는 다른 방법

멀티 스레드 개념

프로세스와 스레드

운영체제에서는 실행 중인 하나의 애플리케이션을 프로세스라고 부르며 사용자가 애플리케이션을 실행하면 운영체제로부터 실행에 필요한 메모리를 할당 받아 애플리케이션의 코들르 실행하는데 이것을 프로세스라고 부른다.
예를 들어 Chrome 브라우저를 두 개 실행했다면 두 개의 Chrome 프로세스가 실행 된 것이다.

• 작업 관리자에서 확인 할 수 잇듯 이 1개의 프로그램의 실행으로 프로세스가 생성되고 그 안에서 스레드가 구동되고 있다.

멀티 태스킹은 두 가지 이상의 작업을 동시에 처리하는 것을 말하고 운영체제는 멀티 태스킹을 할 수 있도록 CPU 및 메모리 자원을 프로세스마다 적절히 할당해주고, 병렬로 실행시킨다.

• 멀티 프로세스들은 운영체제에서 할당 받은 자신의 메모리를 가지고 실행하기 때문에 서로 독립적이다. 그러므로 하나의 프로세스에서 오류가 발생해도 다른 프로세스에게 영향을 미치지 않는다.
• 멀티 스레드는 하나의 프로세스 내부에 생성되기 때문에 하나ㅡ이 스레드가 예외를 발생시키면 프로세스 자체가 종료될 수 있어서 다른 스레드에게 영향을 미칠 수 있다.
• 멀티 스레드에서는 예외 처리에 만전을 기해야 한다.

메인 스레드

모든 자바 애플리케이션은 메인 스레드가 main() 메서드를 실행하면서 시작된다.
메인 스레드는 필요에 따라 작업 스레드들을 만들어서 병렬로 코드를 실행 할 수 있어서 멀티 스레드를 생성해 멀티 태스킹을 수행할 수 있다.

• 싱글 스레드 애플리케이션에서는 메인 스레득 종료하면 프로세스도 종료되지만 멀티 스레드 애플리케이션에서는 실행 중인 스레드가 하나라도 있다면, 프로세스는 종료되지 않는다.

작업 스레드 생성과 실행

멀티 스레드로 실행하는 애플리케이션을 개발하려면 먼저 몇 개의 작업을 병렬로 실행할지 결정하고 각 작업별로 스레들르 생성해야 한다.

• 어떤 작업이건 메인 스레드는 반드시 존재하므로 메인 작업 이외에 추가적인 병렬 작업의 수만큼 스레드를 생성하면 된다.

Thread 클래스로부터 직접 생성

    Thread t = new Thread();

• 직접 생성하는 방법

public class threadTest1 implements Runnable{

    @Override
    public void run() {

    }
}

• Runnable을 상속하는 방법

Thread t = new Thread(new Runnable() {
    @Override
     void run() {

});

Thread t2 = new Thread( () -> {
    // 실행할 코드

});

• 가장 많이 사용되는 방법

    public static void main(String[] args) {
        Toolkit toolkit = Toolkit.getDefaultToolkit();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            toolkit.beep();
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (Exception e ) {}

        }

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println("띵");
            try {
                Thread.sleep(500);

            }catch (Exception e) { }
        }
    }

• 메인 스레드만을 이용한 소스
• 메인 스레드만 이용해 비프음과 "띵"은 동시에 실행하지 않고 비프음이 완료되고 "띵"이 표시된다.

public class ThreadTest1 implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        Toolkit toolkit = Toolkit.getDefaultToolkit();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            toolkit.beep();
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (Exception e ) {}

        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ThreadTest1 t = new ThreadTest1();
        Thread tt = new Thread(t);
        tt.start();

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println("띵");
            try {
                Thread.sleep(500);

            }catch (Exception e) { }
        }
    }
}

• 원하는 방식으로 동작하는 코드
• 객체를 생성하고 작업 스레드를 생성한 뒤 start() 메서드를 호출하여 작업 스레드에 의해 객체가 병렬로 수행된다.
• 람다식과 익명의 객체로 스레드를 사용할 수도 있다.

Thread 하위 클래스로부터 생성

Runnable로 만들지 않고 Thread의 하위 클래스로 작업 스레드를 정의하면 작업 내용을 포함시킬 수도 있다.

public class ThreadTest2 extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        // 수행 내용
    }
}

• 사용 방법은 동일하다.

스레드의 이름

스레드는 자신의 이름을 가지고 디버깅을 할 때 어떤 스레드가 어떤 작업을 하는지 조사할 목적으로 가끔 사용된다.
메인 스레드는 "main"이라는 이름을 가지고 우리가 직접 생성한 스레드는 자동으로 "Thread-n"이라는 이름으로 설정된다.

public class ThreadTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        System.out.println("프로그램 시작 스레드 이름 : " + t.getName());

        ThreadA tA = new ThreadA();
        System.out.println("작업 스레드 이름 : " + tA.getName());
        tA.start();
    }
}

class ThreadA extends Thread {
    public ThreadA() {
        this.setName("ThreadA");
    }
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(this.getName());
    }
}

• 실행한 스레드의 이름을 알 수 있다.

스레드 우선순위

스레드의 구분

• 동시성 : 멀티 작업을 위해 하나의 코어에서 멀티 스레드가 번갈아가며 실행하는 성질
• 병렬성 : 멀티 작업을 위해 멀티 코어에서 개별 스레드를 동시에 실행하는 성질
  싱글 코어 CPU를 이용한 멀티 스레드 작업은 병렬적으로 실행되는 것처럼 보이지만, 사실은 번갈아가며 실행하는 동시성 작업이다.

• 스레드의 개수가 코어의 수보다 많을 경우, 스레드를 어떤 순서에 의해 동시성으로 실행할것인가를 결정해야 하는데, 이것을 스레드 스케줄링이라고 한다.

스케줄링 방식

• 우선 순위 방식 : 우선순위가 높은 스레드가 실행 상태를 더 많이 가지도록 스케줄링

• 순환 할당 방식 ; 시간 할당량을 정해서 하나의 스레드가 정해진 시간만큼 실행하고 다시 다른 스레드를 실행하는 방식
  스레드 우선순위 방식은 스레드 객체에 우선 순위 번호를 부여할수 있기 때문에 개발자가 코드로 제어할 수 있지만 순환 할당 방식은 자바 가상 기계에 의해서 정해지기 때문에 코드로 제어할 수 없다.

• 우선 순위 방식에서 우선 순위는 1~10까지 부여할 수 있고 1이 가장 낮은 우선순위이고, 10이 가장 높은 우선 순위이며 기본적으로 5의 우선순위를 할당한다.

    thread.setPriority(우선순위);
    thread.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
    thread.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
    thread.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);

• 쿼드 코어일 경우에는 4개의 스레드가 병렬성으로 실행될 수 있기 때문에 4개 이하의 스레드를 실행할 경우에는 우선순위 방식이 크게 영향을 미치지 못한다.

동기화 메서드와 동기화 블록

공유 객체를 사용할 때의 주의할 점

싱글 스레드 프로그램은 한 개의 스레드가 객체를 독차지해서 사용해도 되지만, 멀티 스레드는 객체를 공유해야 하는 경우가 있다.
마치 계산기를 두 명의 사람이 나눠쓰는것 같은 상황처럼 한 사람이 자리를 비웠을 때 다른 사람이 값을 입력하면 원했던 결과가 달라지는 상황이 만들어 진다.

동기화 메서드 및 동기화 블록

스레드가 사용 중인 객체를 다른 스레드가 변경할 수 없도록 하려면 스레드 작업이 끝날 때까지 객체에 잠금을 걸어서 다른 스레드가 사용할 수 없도록 하는 방법이 있다.

• 단 하나의 스레드만 실행할 수 있는 코드 영역을 임계 영역이라고 한다.
• 자바는 임계 영역을 지정하기 위해 동기화 메서드와 동기화 블록을 제공한다.
• synchronized 키워드를 붙이면 사용할 수 있고 인스턴스와 정적 메서드 어디든 사용할 수 있다.

public synchronized void method() {

}

스레드 상태

스레드 객체를 생성하고, start() 메서드를 호출하면 곧바로 스레드가 실행되는 것처럼 보이지만 사실은 실행 대기 상태가 된다.
실행되지 않고 기다리고 있다가 스레드 스케줄링으로 선택된 스레드가 CPU를 점유하고 run() 메서드를 실행해여 실행 상태가 된다.
스레드 스케줄링에 의해 다시 대기 상태가 되고 실행 상태가 되고를 반복하면서 조금씩 코드를 수행한다.
더 이상 실행할 코드가 없으면 실행을 멈추고 이 상태를 종료 상태라고 한다.

실행 상태에서 일시 정지 상태가 되기도 하는데 스레드가 실행할 수 없는 상태이다.

• WAITING, TIMED_WAITING, BLOCKED가 있다.

public class ThreadTest3 extends Thread{
    private Thread targetTHread;
    public ThreadTest3(Thread targetThread) {
        this.targetTHread = targetThread;
    }

    @Override
    public void run() {
        while(true) {
            Thread.State state = this.targetTHread.getState();
            System.out.println("타켓 스레드 상태: " + state);

            if (state == Thread.State.NEW)
                this.targetTHread.start();

            if (state == Thread.State.TERMINATED)
                break;
            try {
                Thread.sleep(500);
            }catch (Exception e ) {

            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ThreadTest3 t = new ThreadTest3(new TargetThread());
        t.start();
    }
}

class TargetThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (long i = 0; i < 1000000000; i++){}

        try {
            Thread.sleep(1500);
        }catch (Exception e ) {

        }

        for (long i = 0; i < 1000000000; i++) {}
    }
}

스레드 상태 제어

실행중인 스레드의 상태를 변경하는 것을 스레드 상태 제어라고 하며 정교한 스레드 상태 제어가 되지 않으면 프로그램은 불안정해져서 먹통이 되거나 다운된다.
멀티 스레드 프로그래밍이 어려운 이유는 스레드를 잘 사용하면 약이 되지마느 잘못 사용하면 치명적인 버그가 된다.

데몬 스레드

데몬 스레드는 주 스레드의 작업을 돕는 보조적인 역할로 주 스레드가 종료되면 데몬 스레드는 강제적으로 자동 종료된다.

public static void main(String[] args) {
        Thread a = new Thread();
        a.setDaemon(true); // start()가 호출되기 전에 호출해야 한다.
        a.start(); 
    }

스레드 그룹

스레드 그룹은 관련된 스레드를 묶어서 관리할 목적으로 이용되며 JVM이 실행되면 system 스레드 그룹을 만들고, JVM 운영에 필요한 스레드들을 생성해서 system 스레드 그룹에 포함시킨다.
system의 하위 스레드 그룹으로 main을 만들고 메인 스레드를 main 스레드 그룹에 포함시킨다.
스레드는 반드시 하나의 그룹에 포함되며 명시적으로 그룹에 포함시키지 않으면 기본적으로 자신이 생성한 스레드와 같은 스레드 그룹에 속하게 된다.
우리가 생성하는 작업 스레드는 대부분 main 스레드가 생성하므로 기본적으로 main 스레드 그룹에 속하게 된다.

ThreadGroup g = new ThreadGroup(String name);
ThreadGroup g = new ThreadGroup(ThreadGroup group, Runnable target);
ThreadGroup g = new ThreadGroup(ThreadGroup group, Runnable target, String name);
ThreadGroup g = new ThreadGroup(ThreadGroup group, Runnable target, String name, long stackSize);
ThreadGroup g = new ThreadGroup(ThreadGroup group, String name);

• 스레드 그룹은 5가지 생성자를 가진다.

스레드 풀

갑작스런 병렬 작업의 폭증으로 인한 스레드의 폭증을 막으려면 스레드 풀을 사용해야 한다.
스레드 풀은 작업 처리에 사용되는 스레드를 제한된 개수만큼 정해 놓고 작업 큐에 들어오는 작업들을 하나씩 스레드가 맡아 처리한다. 스레드의 전체 개수가 늘어나지 않으므로 애플리케이션의 성능이 급격히 저하되지 않는다.

• 초기 스레드 : 기본적으로 생성되는 스레드 수
• 코어 스레드 : 스레드 수가 증가된 후 사용되지 않는 스레드를 스레드 풀에서 제거할 때 최소한 유지해야 할 스레드 수
• 최대 스레드 : 스레드 풀에서 관리하는 최대 스레드 수

    ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool();

    ExecutorService es2 = Executors.newFixedThreadPool(Runtime.getRuntime().availableProcessors()); // 코어 개수만큼 스레드 풀을 생성한다.

    ExecutorService es3 = new ThreadPoolExecutor(
        3, // 코어 스레드 개수
        100, // 최대 스레드 개수
        120L, // 놀고 있는 시간
        TimeUnit.SECONDS, // 놀고 있는 시간 단위
        new SynchronousQueue<Runnable>() // 작업 큐
    );

스레드 풀은 데몬 스레드가 아니기 때문에 main 스레드가 종료되더라도 작업을 처리하기 위해 계속 실행 상태로 남아있으므로 스레드풀을 종료시켜 스레드들이 종료 상태가 되도록 처리해야 한다.

작업 생성

Runnable의 run() 메서드는 리턴 값이 없고 Callable의 call() 메서드는 리턴 값이 있다.

    public static void main(String[] args) {
        Runnable r = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                
            }
        };

        Callable<T> c = new Callable<T>() {
            @Override
            public T call() throws Exception {
                return null;
            }
        };
    }

작업 처리 요청

• execute() : 작업 처리 도중 예외가 발생하면 스레드가 종료되고 해당 스레드는 스레드풀에서 제거되고 다른 작업 처리를 위해 새로운 스레드를 생성한다.
• submit() : 작업 처리 도중 예외가 발생하더라도 스레드는 종료되지 않고 다음 작업을 위해 재사용되어 가급적이면 스레드의 생성 오버헤더를 줄이기 위해 submit()을 사용하는 것이 좋다.

블로킹 방식의 작업 완료 통보

Future 객체는 작업 결과가 아니라 작업이 완료될때까지 기다렸다가(지연했다가=블로킹되었다가) 최종 결과를 얻는데 사용되어 지연 완료 객체라고 하고 이를 작업 완료 통보 방식이라고 한다.

get() 메서드를 호출하면 스레드가 작업을 완료할 때까지 블로킹되었다가 작업을 완료하면 처리 결과를 리턴한다.

주의 할 점은 처리하는 스레드가 작업을 완료하기 전까지는 get() 메서드가 블로킹되므로 다른 코드를 실행할 수 없다.

submit() 메서드별 리턴 값

Future객체가 제공하는 메서드

리턴 값이 없는 작업 완료 통보 : submit(Runnable task) 메서드를 이용하면 된다. 

리턴 값이 있는 작업 완료 통보 : 작업 객체를 Callable로 생성하면 된다.

작업 처리 결과를 외부 객체에 저장

스레드가 작업 처리를 완료하고 외부 Result 객체에 작업 결과를 저장하면 애플리케이션이 Result 객체를 사용해서 어떤 작업을 진행할 수 있게 되며 대개 Result 객체는 공유 객체가 되어, 두 개 이상의 스레드 작업을 취합할 목적으로 이용된다.

Result result = ...;
Runnable task = new task(result);
Future<Result> future = executorService.submit(task, result);
result = future.get();

작업 완료 순으로 통보

스레드 풀에서 작업 처리가 완료된 것만 통보받는 방법이 있는데 CompletionService를 이용하는 것이다.

CompletionService는 처리 완료된 작업을 가져오는 poll()과 task()메서드를 제공한다.

콜백 방식의 작업 완료 통보

애플리케이션이 스레드에게 작업 처리를 요청한 후, 스레드가 작업을 완료하면 특정 메서드를 자동 실행하는 기법을 말하며 자동 실행되는 메서들르 콜백 메서드라고 한다.

ExecutorService는 콜백읠 위한 별도의 기능이 제공되지 않지만 Runnable 구현 클래스를 작성 할 때 콜백 기능을 구현할 수 있다.