[Java] 자바 쓰레드 - 쓰레드, 멀티 쓰레드

프로세스(process)란?

• 프로세스(process)란 단순히 실행 중인 프로그램(program)이라고 할 수 있다. 즉, 사용자가 작성한 프로그램이 운영체제에 의해 메모리 공간을 할당받아 실행 중인 것을 말한다. 이러한 프로세스는 프로그램에 사용되는 데이터와 메모리 등의 자원 그리고 스레드로 구성된다.

 

스레드(thread)란?

• 스레드(thread)란 프로세스(process) 내에서 실제로 작업을 수행하는 주체를 의미한다.
• 모든 프로세스에는 한 개 이상의 스레드가 존재하여 작업을 수행한다. 또한, 두 개 이상의 스레드를 가지는 프로세스를 멀티스레드 프로세스(multi-threaded process)라고 한다.

스레드의 생성과 실행

• 자바에서 스레드를 생성하는 방법에는 1. Runnable 인터페이스를 구현하는 방법과 2. Thread 클래스를 상속받는 방법과 같이 두 가지 방법이 있다.
• 두 방법 모두 스레드를 통해 작업하고 싶은 내용을 run() 메소드에 작성하면 된다.

class ThreadWithClass extends Thread {
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(getName()); // 현재 실행 중인 스레드의 이름을 반환
            try {
                Thread.sleep(10);          // 0.01초간 스레드를 멈춤
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

class ThreadWithRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()); // 현재 실행 중인 스레드의 이름을 반환
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

public class Thread01 {
    public static void main(String[] args){
        ThreadWithClass thread1 = new ThreadWithClass();       // Thread 클래스를 상속받는 방법
        Thread thread2 = new Thread(new ThreadWithRunnable()); // Runnable 인터페이스를 구현하는 방법
 
        thread1.start(); // 스레드의 실행
        thread2.start(); // 스레드의 실행
    }
}

// 생성된 스레드가 서로 번갈아가며 실행
>> Thread-0
>> Thread-1
>> Thread-0
>> Thread-1
>> Thread-0
>> Thread-1
>> Thread-0
>> Thread-1
>> Thread-0
>> Thread-1

• Thread 클래스를 상속받으면 다른 클래스를 상속받을 수 없으므로, 일반적으로 Runnable 인터페이스를 구현하는 방법으로 스레드를 생성한다. Runnable 인터페이스는 몸체가 없는 메소드인 run() 메소드 단 하나만을 가지는 간단한 인터페이스다.

스레드의 우선순위

• 자바에서 각 스레드는 우선순위(priority)에 관한 자신만의 필드를 가지고 있다. 이러한 우선순위에 따라 특정 스레드가 더 많은 시간 동안 작업을 할 수 있도록 설정할 수 있다.

• getPriority()와 setPriority() 메소드를 통해 스레드의 우선순위를 반환하거나 변경할 수 있다.
• 스레드의 우선순위가 가질 수 있는 범위는 1부터 10까지이며, 숫자가 높을수록 우선순위 또한 높아진다. 하지만 스레드의 우선순위는 비례적인 절댓값이 아닌 어디까지나 상대적인 값일 뿐이다. 우선순위가 10인 스레드가 우선순위가 1인 스레드보다 10배 더 빨리 수행되는 것이 아니다. 단지 우선순위가 10인 스레드는 우선순위가 1인 스레드보다 좀 더 많이 실행 큐에 포함되어, 좀 더 많은 작업 시간을 할당받을 뿐이다. 그리고 스레드의 우선순위는 해당 스레드를 생성한 스레드의 우선순위를 상속받게 된다.

class ThreadWithRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()); // 현재 실행 중인 스레드의 이름을 반환
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
 
public class Thread02 {
    public static void main(String[] args){
        Thread thread1 = new Thread(new ThreadWithRunnable());
        Thread thread2 = new Thread(new ThreadWithRunnable());

 
①      thread2.setPriority(10); // Thread-1의 우선순위를 10으로 변경
 
②      thread1.start(); // Thread-0 실행
③      thread2.start(); // Thread-1 실행
 
        System.out.println(thread1.getPriority());
        System.out.println(thread2.getPriority());
    }
}

>> 5
>> 10
>> Thread-1
>> Thread-0
>> Thread-1
>> Thread-0
>> Thread-1
>> Thread-0
>> Thread-1
>> Thread-0
>> Thread-1
>> Thread-0

• main() 메소드를 실행하는 스레드의 우선순위는 언제나 5이므로, main() 메소드 내에서 생성된 스레드 Thread-0의 우선순위는 5로 설정되는 것을 확인할 수 있다.
• 위의 예제는 ②번 라인에서 Thread-0이 먼저 실행되고, ③번 라인에서 Thread-1이 나중에 실행된다. 만약 ①번 라인이 존재하지 않는다면, Thread-0이 먼저 실행되고, Thread-1이 나중에 실행될 것이다. 하지만 ①번 라인에서 Thread-1의 우선순위를 10으로 변경했기 때문에, Thread-1이 나중에 실행됐더라도 우선순위가 Thread-0보다 높아 먼저 실행된다.

멀티 스레드(multi thread)

• 일반적으로 하나의 프로세스는 하나의 스레드를 가지고 작업을 수행한다.
• 멀티 스레드(multi thread)란 하나의 프로세스 내에서 둘 이상의 스레드가 동시에 작업을 수행하는 것을 의미한다.
• 멀티 프로세스(multi process)는 여러 개의 CPU를 사용하여 여러 프로세스를 동시에 수행하는 것을 의미한다.
• 멀티 스레드와 멀티 프로세스 모두 여러 흐름을 동시에 수행하다는 공통점을 가지고 있다. 멀티 프로세스는 각 프로세스가 독립적인 메모리를 가지고 별도로 실행되지만, 멀티 스레드는 각 스레드가 자신이 속한 프로세스의 메모리를 공유한다는 점이 다르다.
• 멀티 스레드는 각 스레드가 자신이 속한 프로세스의 메모리를 공유하므로 시스템 자원의 낭비가 적고, 하나의 스레드가 작업을 할 때 다른 스레드가 별도의 작업을 할 수 있어 사용자와의 응답성도 좋아진다.

문맥 교환(context switching)

• 컴퓨터에서 동시에 처리할 수 있는 최대 작업 수는 CPU의 코어(core) 수와 같다. 만약 CPU의 코어 수보다 더 많은 스레드가 실행되면, 각 코어가 정해진 시간 동안 여러 작업을 번갈아가며 수행한다. 이때 각 스레드가 서로 교체될 때 스레드 간의 문맥 교환(context switching)이라는 것이 발생한다.
• 문맥 교환이란 현재까지의 작업 상태나 다음 작업에 필요한 각종 데이터를 저장하고 읽어오는 작업을 가리킨다. 이러한 문맥 교환에 걸리는 시간이 커지면 커질수록, 멀티 스레딩의 효율은 저하된다.
• 오히려 많은 양의 단순한 계산은 싱글 스레드로 동작하는 것이 더 효율적일 수 있으므로, 따라서 많은 수의 스레드를 실행하는 것이 언제나 좋은 성능을 보이는 것은 아니라는 점을 유의해야 한다.

스레드 그룹(thread group)

• 스레드 그룹(thread group)이란 서로 관련이 있는 스레드를 하나의 그룹으로 묶어 다루기 위한 장치다.
• 자바에서는 스레드 그룹을 다루기 위해 ThreadGroup이라는 클래스를 제공한다. 이러한 스레드 그룹은 다른 스레드 그룹을 포함할 수도 있으며, 이렇게 포함된 스레드 그룹은 트리 형태로 연결된다. 이때 스레드는 자신이 포함된 스레드 그룹이나 그 하위 그룹에는 접근할 수 있지만, 다른 그룹에는 접근할 수 없다. 이렇게 스레드 그룹은 스레드가 접근할 수 있는 범위를 제한하는 보안상으로도 중요한 역할을 한다.

class ThreadWithRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(10); // 0.01초간 스레드를 멈춤
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

// main() 메소드에서 생성된 스레드의 기본 스레드 그룹의 이름은 "main"이 되며, 최대 우선순위는 10으로 자동 설정
public class Thread03 {
    public static void main(String[] args){
        Thread thread0 = new Thread(new ThreadWithRunnable());
        thread0.start(); // Thread-0 실행
        System.out.println(thread0.getThreadGroup());
 
        ThreadGroup group = new ThreadGroup("myThread"); // myThread라는 스레드 그룹 생성
        group.setMaxPriority(7); // 해당 스레드 그룹의 최대 우선순위를 7로 설정
 
        // 스레드를 생성할 때 포함될 스레드 그룹을 전달할 수 있음.
        Thread thread1 = new Thread(group, new ThreadWithRunnable());
        thread1.start(); // Thread-1 실행
        System.out.println(thread1.getThreadGroup());
    }
}

>> java.lang.ThreadGroup[name=main,maxpri=10]
>> java.lang.ThreadGroup[name=myThread,maxpri=7]

데몬 스레드(deamon thread)

• 데몬 스레드(deamon thread)란 다른 일반 스레드의 작업을 돕는 보조적인 역할을 하는 스레드를 가리킨다. 따라서 데몬 스레드는 일반 스레드가 모두 종료되면 더는 할 일이 없으므로, 데몬 스레드 역시 자동으로 종료된다.
  
• 데몬 스레드의 생성 방법과 실행 방법은 모두 일반 스레드와 같습니다. 단, 실행하기 전에 setDaemon() 메소드를 호출하여 데몬 스레드로 설정하기만 하면 된다.
  
• 데몬 스레드는 일정 시간마다 자동으로 수행되는 저장 및 화면 갱신 등에 이용되고 있다.

가비지 컬렉터(gabage collector)

• 데몬 스레드를 이용하는 가장 대표적인 예로 가비지 컬렉터(gabage collector)를 들 수 있다.
  
• 가비지 컬렉터(gabage collector)란 프로그래머가 동적으로 할당한 메모리 중 더 이상 사용하지 않는 영역을 자동으로 찾아내어 해제해 주는 데몬 스레드다.
• 자바에서는 프로그래머가 메모리에 직접 접근하지 못하게 하는 대신에 가비지 컬렉터가 자동으로 메모리를 관리해 준다. 이러한 가비지 컬렉터를 이용하면 프로그래밍을 하기가 훨씬 쉬워지며, 메모리에 관련된 버그가 발생할 확률도 낮아진다.
  
• 보통 가비지 컬렉터가 동작하는 동안에는 프로세서가 일시적으로 중지되므로, 필연적으로 성능의 저하가 발생한다. 하지만 요즘에는 가비지 컬렉터의 성능이 많이 향상되어, 새롭게 만들어지는 대부분의 프로그래밍 언어에서 가비지 컬렉터를 제공하고 있다.
  

 

Reference

• http://www.tcpschool.com/