JAVA - STUDY 10주차 과제 : 멀티쓰레드 프로그래밍

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목표

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자바의 멀티쓰레드 프로그래밍에 대해 학습하세요.

학습할 것 (필수)

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• Thread 클래스와 Runnable 인터페이스
• 쓰레드의 상태
• 쓰레드의 우선순위
• Main 쓰레드
• 동기화
• 데드락

마감일시

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2021년 1월 23일 토요일 오후 1시까지.

 

Thread 클래스와 Runnable 인터페이스

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Thread 란?

동시 프로그래밍에는 프로세스와 스레드의 두 가지 기본 실행 단위가 있습니다. JAVA 프로그래밍 언어에서 동시 프로그래밍은 대부분 스레드와 관련됩니다.

프로세스
프로세스에는 완전한 개인용 기본 런타임 리소스 집합이 있고 자체 메모리 공간도 있습니다. JAVA 가상 머신의 대부분의 구현은 단일 프로세스로 실행됩니다.

스레드
스레드는 경량 프로세스라고 부르기도 합니다. 프로세스와 스레드 모두 실행 환경을 제공하지만 스레드가 프로세스보다 만드는데 필요한 리소스가 더 적습니다.
스레드는 프로세스 내에 존재하고, 모든 프로세스에는 최소한 하나의 스레드가 존재합니다. 우리가 자바 애플리케이션에서 main()을 실행하면 메인 스레드라고 하는 하나의 스레드로 시작을 하는 것입니다.

 

Thread를  수행하는 두 가지 방법이 있습니다.

1. Thread 클래스 상속

Thread 클래스에는 start() 메소드가 있어서 호출하면 run() 메소드가 실행되게 된다.

// 실행결과
thread run.

 

실행 순서

여러 개의 쓰레드를 생성해서 실행해보면 어떨까?

아래 실행 결과를 보면, 스레드의 실행 순서는 랜덤이고 매번 바뀌게 된다.

신기한 건 모든 스레드가 종료되기도 전에 main 메소드가 종료되었다.

1 thread start.
3 thread start.
2 thread start.
0 thread start.
4 thread start.
5 thread start.
6 thread start.
7 thread start.
8 thread start.
main end.
9 thread start.
1 thread end.
5 thread end.
9 thread end.
8 thread end.
3 thread end.
6 thread end.
2 thread end.
0 thread end.
7 thread end.
4 thread end.

 

2. Runnable 인터페이스 구현

• Runnable 인터페이스에는 run() 메소드만 구현되어 있다.

 

Thread클래스에 Runnable을 구현한 클래스를 넘겨야한다.

// 실행결과
Hello from a thread!

 

Thread 생성자 중 Runnable 클래스를 매개변수로 받는다.

 

Thread, Runnable 둘 중 어떤 것을 사용해야 할까?

• run() 메소드 이외에 다른 메소드를 오버라이딩 해야만 한다면 Thread 클래스
• run() 메소드만 오버라이딩 한다면, Runnable 인터페이스를 구현하는게 일반적이다.

 

Thread의 상태

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쓰레드의 생명주기

1. new (생성)

쓰레드가 생성되고 아직 start()가 호출되지 않은 상태이다.

 

2. Runnable (준비상태)

쓰레드가 실행되기 위한 준비단계입니다. CPU를 점유하고 있지않으며 실행(Running 상태)을 하기 위해 대기하고 있는 상태입니다. 코딩 상에서 start( ) 메소드를 호출하면 run( ) 메소드에 설정된 쓰레드가 Runnable 상태로 진입합니다.

 

3. Running (실행상태)

CPU를 점유하여 실행하고 있는 상태이며 run() 메서드는 JVM만이 호출 가능. Runnable(준비상태)에 있는 여러 쓰레드 중 우선 순위를 가진 쓰레드가 결정되면 JVM이 자동으로 run( ) 메소드를 호출하여 쓰레드가 Running 상태로 진입.

 

4. Terminated (종료상태)

쓰레드가 종료된 상태이다.

 

4. Blocked (지연 상태)

CPU를 점유권을 상실한 상태이다. 후에 특정 메소드를 실행시켜 Runnable(준비상태)로 전환.

wait( ) 메소드에 의해 Blocked 상태가 된 스레드는 notify( ) 메소드가 호출되면 Runnable 상태로 간다. sleep(시간) 메소드에 의해 Blocked 상태가 된 스레드는 지정된 시간이 지나면 Runnable 상태로 간다.

 

Thread.sleep()

Thread.sleep(long millis)	(1 / 1000) 초 만큼 Thread가 일시정지한다.
Thread.sleep(long millis, int nanos)	(1 / 1000) 초 + (1 / 1,000,000,000) 나노초 만큼 일시정지한다.

InterruptedException은 sleep이 활성 상태 인 동안 다른 스레드가 현재 스레드를 인터럽트 할 때 sleep이 던지는 예외이다. 

sleep을 사용할 때에는 항상 try - catch로 감싸줘야 한다.

 

그 외에 메소드

Thread 메소드	설명
join()	해당 쓰레드가 종료될 때까지 기다린다.
interrupt()	현재 실행 중인 쓰레드를 중지시킨다. (InterruptedException 예외 발생)
yield()	자신의 작업시간을 다른 쓰레드에게 양보하고 자신은 대기상태가 된다.
stop()	deprecated
resume()	deprecated
suspend()	deprecated

 

Thread의 우선순위

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각 Thread마다 자신의 우선순위를 가지고 있다. 이 우선순위가 높을수록 더 많은 시간동안 작업을 수행할 수 있다.

하지만 우선순위가 높다고 해서 가장 빨리 수행되는것도, 가장 먼저 실행되는 것도 아니다.

static int MAX_PRIORITY	쓰레드의 MAX 우선순위
static int MIN_PRIORITY	쓰레드의 MIN 우선순위
static int NORM_PRIORITY	쓰레드가 생성될 때 주어지는 기본 우선순위 (5)
* (쓰레드가 가질 수 있는 우선순위는 1부터 10까지이다)

 

setPriority() 와 getPriority() 메소드를 이용해 우선순위를 반환하거나 설정할 수 있다.

실행결과

 

Main Thread

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Single Thread Application

java의 main() 메소드 " public static void main(String[] args) " 이것이 메인 쓰레드이고, 다른 쓰레드를 생성하면 메인 쓰레드에서 파생되어서 다른 쓰레드가 생성되는 것이다.

메인 쓰레드 하나만 실행되는 것을 Single Thread Application 이라고 한다.

 

Multi Thread Application

메인 쓰레드에서 다른 쓰레드를 생성하여 실행하는 것을 Multi Thread Application이라고 한다.

 

Demon Thread

main 쓰레드의 작업을 보조하는 역할을 한다.

그렇기에 main 쓰레드가 종료되면 함께 종료가 된다.

(예제 코드)

(실행 결과)

 

동기화 (Synchronize)

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임계 영역(Critical section) 과 잠금(lock)

공유 데이터를 사용하는 코드 영역을 임계 영역으로 지정해놓고, 공유 데이터(객체)가 가지고 있는 lock을 획득한 단 하나의 쓰레드만 이 영역 내의 코드를 수행할 수 있도록 한다. 그리고 해당 쓰레드가 임계 영역 내의 모든 코드를 수행하고 벗어나서 lock을 반납해야만 다른 쓰레드가 반납된 lock을 획득하여 임계 영역의 코드를 수행할 수 있게 된다.

여러 개의 쓰레드가 한 개의 리소스를 사용하려고 할 때, 사용하려는 쓰레드를 제외한 나머지들을 접근하지 못하게 막는 것이다.

 

-> Thread Safe (쓰레드 안전하다) , 하지만 너무 남발해서 사용하면 성능 저하를 일으킬 수 있음.

 

Synchronized 사용법 2가지

• 메소드에서 사용 (메소드 전체를 임계 영역으로 지정)

public synchronized void method() {	}

 

• 객체 변수에 사용 (락을 걸고자하는 객체를 참조하는 것이여야한다.)

private Object o = new Object();

public void method() {
	
    synchronized (o) {
    	// ...
    }
}

 

(예제 코드) - synchronized 미 적용

• Account 클래스

• Test 클래스

• 실행결과

계좌 잔액보다 지불하는 금액이 더 크면, 지불하지 않도록 설정하였는데, 남은 금액이 -100이 되었다.

여기서 멀티스레드에 문제점이 발견되는 것이다. Thread-safe 하지 않기 때문에 Thread-0이 sleep에서 깨어나기도 전에 Thread-1가 출금을 해버린 것이다. 이제 synchronized를 메소드에 붙여주면 쉽게 해결이 된다!

 

(예제코드) - Synchronized 적용

• Account 클래스

• Test 클래스 동일 (생략)
• 실행결과

 

데드락 (DeadLock, 교착상태)

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교착상태란, 둘 이상의 쓰레드가 lock을 획득하기 위해 대기하는데. 이 lock을 잡고 있는 쓰레드들도 똑같이 다른 lock을 기다리면서 서로 block 상태에 놓이는 것을 말한다. 데드락은 다수의 쓰레드가 같은 lock을 동시에, 다른 명령에 의해 획득하려 할 때 발생할 수 있다.

예시) Thread-1이 A의 lock을 가지고 있는 상태에서 B의 lock을 획득하려 한다. 그리고 Thread-2가 B의 lock을 가지고 있는 상태에서 A의 lock을 획득하려 한다. -> 데드락이 생긴다. (둘 다 서로가 획득하려는 A, B 의 lock을 영원히 획득할 수 없다.)

 

(예제 코드)

public class Test{
    static final Object lock_1 = new Object();
    static final Object lock_2 = new Object();

    private static class Sample1 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (lock_1) {
                System.out.println("Thread 1 : Holding lock 1");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {

                }
                System.out.println("Thread 1 : Wating for lock 2");
                synchronized (lock_2) {
                    System.out.println("Thread 1 : Holding lock 1 & 2");
                }
            }
        }
    }

    private static class Sample2 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (lock_2) {
                System.out.println("Thread 2 : Holding lock 1");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {

                }
                System.out.println("Thread 2 : Wating for lock 2");
                synchronized (lock_1) {
                    System.out.println("Thread 2 : Holding lock 1 & 2");
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Sample1 thread1 = new Sample1();
        Sample2 thread2 = new Sample2();
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

// 실행결과
Thread 1 : Holding lock 1
Thread 2 : Holding lock 1
Thread 1 : Wating for lock 2
Thread 2 : Wating for lock 1

서로의 lock을 얻으려고 호출하기 때문에 무한정 데드락에 빠지게 된다.

 

REFERENCES

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tutorials.jenkov.com/java-concurrency/deadlock.html

docs.oracle.com/javase/tutorial/essential/concurrency/sleep.html

parkcheolu.tistory.com/19

codechacha.com/ko/java-synchronized-keyword/

wisdom-and-record.tistory.com/48

sujl95.tistory.com/63

coding-factory.tistory.com/279