[Java] Lecture - Day 16

🖥 Basic Java - Day 16

👉🏻 [Chapter 12] 자바 스레드 기초

멀티태스킹

• Multi Tasking
  • 하나의 응용 프로그램이 여러 개의 작업(태스크)을 동시 처리
• 멀티프로세싱(multi-processing)
  • 하나의 응용 프로그램이 여러 개의 프로세스를 생성하고, 각 프로세스가 하나의 작업을 처리하는 기법
  • 각 프로세스는 독립된 메모리 영역을 보유하고 실행
  • 프로세스들간 통신(IPC; Inter Process Communication)과 프로세스 사이의 문맥 교환(Context Switching)에 따른 과도한 오버헤드와 시간 소모의 문제점
• 멀티스레딩(multi-threading)
  • 하나의 응용 프로그램을 동시 처리가 가능한 여러 작업으로 분할
  • 하나의 응용 프로그램이 여러 개의 스레드를 생성하여, 각 스레드가 하나의 작업을 처리하는 기법
  • 하나의 응용 프로그램에 속한 스레드들은 자원과 메모리(변수, 파일 오픈 테이블 등)를 공유하므로, 스레드간 통신과 문맥 교환에 따른 오버헤드가 적어 빠름

스레드

• Thread
  • Thread of Control의 준말
  • 프로그램을 실행하는 하나의 실, 제어
  • 운영체제에서 작업을 실행하고 관리하는 단위
• 구성
  • 스레드 코드
    • 작업 실행을 위해 작성한 프로그램 코드
    • 개발자가 작성
  • 스레드 정보
    • 운영체제가 스레드에 대해 관리하는 정보
    • 스레드 명, ID, 실행 소요 시간, 우선 순위
• 스레드와 운영체제
  • 스레드는 다른 스레드를 생성 및 중단시키기 위해 운영체제를 통해 이를 수행
  • 스레드를 생성, 중단, 종료시키고 실행할 스레드를 스케쥴링하는 권한은 운영체제에 있음
• 자바의 스레드
  • JVM에 의해 스케쥴되는 실행 단위의 코드 블럭
  • 스레드의 생명 주기(실행, 멈춤, 종료 등)는 JVM에 의해 관리됨
  • JVM은 스레드 단위로 스케쥴링
• JVM과 멀티스레드의 관계
  • 하나의 JVM은 하나의 자바 응용 프로그램만 실행
    • 자바 응용 프로그램이 시작될 때 JVM이 함께 실행됨
    • 자바 응용 프로그램이 종료되면 JVM도 함께 종료됨
  • 하나의 응용 프로그램은 하나 이상의 스레드로 구성 가능

자바에서 스레드 만들기

• java.lang.Thread 클래스를 상속받아 스레드 작성
• java.lang.Runnable 인터페이스를 구현하여 스레드 작성

Thread()  // 스레드 객체 생성
Thread(Runnable target) // Runnable 객체인 target을 이용하여 스레드 객체 생성
Thread(String name) // 이름 name인 스레드 객체 생성
Thread(Runnable target, String name)  // Runnable 객체를 이용하며, 이름이 name인 스레드 객체 생성

• Thread 클래스 생성자

void run()  // 스레드 코드로서 JVM에 의해 호출됨. 해당 메소드 종료 시 스레드도 종료
void start()  // JVM에게 스레드 실행 시작 요청
void interrupt()  // 스레드 강제 종료
static void yield() // 다른 스레드에게 실행 양보. JVM은 스레드 스케쥴링을 시행하며 다른 스레드 선택 실행
void join() // 스레드 종료 시까지 기다림
long getId()  // 스레드 ID 값 리턴
String getName()  // 스레드 이름 리턴
int getPriority() // 스레드 우선순위 리턴(1~10)
void setPriority(int n) // 스레드 우선순위 변경
Thread.State getState() // 스레드 상태 리턴
static void sleep(long mills) // 스레드 mills 시간 동안 정지
static Thread currentThread() // 현재 실행 중인 스레드 객체 레퍼런스 리턴

• Thread 클래스 주요 메소드

import java.awt.*;
import javax.swing.*;

class TimerThread extends Thread {
    private JLabel time;
    public TimerThread(JLabel time) {
        this.time = time;
    }

    @Override
    public void run() {
        int n = 0;
        while(true) {
            time.setText(Integer.toString(n));
            n++;
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                return;
            }
        }
    }
}

public class Thread01 extends JFrame {
    Thread01() {
        super("Thread Exam 01");
        setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
        setSize(300, 200);

        Container c = getContentPane();
        c.setLayout(new FlowLayout());
        JLabel timer = new JLabel();
        timer.setFont(new Font("Gothic", Font.ITALIC, 80));
        c.add(timer);

        TimerThread th = new TimerThread(timer);
        setVisible(true);
        th.start();
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread01();
    }
}

• Thread를 상속받아 1초 단위의 타이머 예제

interface Runnable {
    public void run();
}

• Runnable 인터페이스

import java.awt.*;
import javax.swing.*;

class TimerRunnable implements Runnable {
    private JLabel timer;
    TimerRunnable(JLabel timer) {
        this.timer = timer;
    }

    @Override
    public void run() {
        int n = 0;
        while(true) {
            timer.setText(Integer.toString(n));
            n++;
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch(InterruptedException e) {
                return;
            }
        }
    }
}

public class Thread02 extends JFrame {
    Thread02() {
        super("Thread Exam 02");
        setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
        setSize(300, 200);

        Container c = getContentPane();
        JLabel timer = new JLabel();
        c.setLayout(new FlowLayout());
        timer.setFont(new Font("Gothic", Font.ITALIC, 80));
        c.add(timer);

        TimerRunnable tr = new TimerRunnable(timer);
        Thread th = new Thread(tr);
        setVisible(true);

        th.start();
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread02();
    }
}

• Runnable 인터페이스를 구현하여 1초 단위의 타이머 예제

스레드 주의 사항

• run() 메소드 종료 시 스레드 종료
  • 스레드 지속을 원할 시 run() 메소드 내에서 무한루프 작성
• 한 번 종료한 스레드 다시 시작 불가능
  • 다시 스레드 객체 생성 후 start() 호출
• 한 스레드에서 다른 스레드 강제 종료 가능

스레드 정보

• 스레드 이름: 스레드 이름으로 사용자가 지정
• 스레드 ID: 스레드 고유의 식별자 번호
• 스레드 PC(Program Count): 현재 실행 중인 스레드 코드의 주소
• 스레드 상태
  • NEW
    • 스레드가 생성되었지만 스레드가 아직 실행할 준비가 되지 않았음
  • RUNNABLE
    • 스레드가 현재 실행되고 있거나, 실행 준비되어 스케줄링을 기다리는 상태
  • WAITING
    • wait() 호출 상태
      • 다른 스레드가 notify()나 notifyAll()을 불러주기를 기다리고 있는 상태
    • 스레드 동기화를 위해 사용
  • TIMED_WAITING
    • sleep(n)을 호출하여 n 밀리초 동안 정지해있는 상태
  • BLOCK
    • 스레드가 I/O 작업을 요청하면 JVM이 자동으로 BLOCK 상태로 만듦
  • TERMINATED
    • 스레드가 종료한 상태
• 스레드 우선순위: 스레드 스케줄링 시 사용되는 값으로 1~10 사이 값이며 10이 최상위 우선순위
  • 10(MAX_PRIORITY)
  • 1(MIN_PRIORITY)
  • 5(NORMAL_PRIORITY)
  • main() 스레드의 우선순위는 초기 5
    • 스레드는 부모 스레드와 동일 우선순위를 가지고 탄생
  • JVM의 스케쥴링 정책
    • 철저한 우선순위 기반
      • 가장 높은 우선순위 스레드가 우선적 스케쥴링
      • 동일 우선순위 스레드는 돌아가면서 스케쥴링(라운드 로빈)
• 스레드 그룹: 여러 개의 자바 스레드가 하나의 그룹을 형성할 수 있으며 이 경우 스레드가 속한 그룹
• 스레드 레지스터 스택: 스레드가 실행되는 동안 레지스터들의 값

main 스레드

• JVM이 자바 응용 프로그램 실행 시작 시 디폴트로 생성되는 스레드
• JVM은 main 스레드에게 main() 메소드를 실행케 함
• main() 메소드가 종료하면 main 스레드 종료

스레드 종료와 타 스레드 강제 종료

public void run() {
    ...
    return;
    ...
}

• 스스로 종료
  • run() 실행 도중 리턴
  • run()을 완전히 실행하여 종료

B.interrupt()

• 강제 종료
  • 한 스레드가 다른 스레드를 강제 종료
  • 종료하고자 하는 스레드의 interrupt() 메소드 호출

import java.awt.*;
import java.awt.event.MouseAdapter;
import java.awt.event.MouseEvent;
import java.util.Random;
import javax.swing.*;

public class Thread03 extends JFrame implements Runnable {
    private Thread th;
    Thread03() {
        super("Thread Exam 03");
        setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
        setSize(300, 200);
        setLocation(300, 300);

        getContentPane().addMouseListener(new MouseAdapter() {
            @Override
            public void mouseClicked(MouseEvent e) {
                if(!th.isAlive()) return;
                th.interrupt();
            }
        });
        setVisible(true);

        th = new Thread(this);
        th.start();
    }

    @Override
    public void run() {
        Random r = new Random();
        while(true) {
            try {
                Thread.sleep(20);
            } catch(InterruptedException e) {
                return;
            }
            int x = getX()+r.nextInt()%5;
            int y = getY()+r.nextInt()%5;
            setLocation(x, y);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread03();
    }
}

• 진동하는 스레드와 스레드 강제 종료 예제

스레드의 시작과 종료

• 멀티스레드를 가진 프로그램은 다수 개의 실행 흐름을 가짐
  • start()에 의해 다중 흐름 시작
  • 다수 개의 실행 흐름을 다시 하나의 흐름으로 통합하기 위해서 스레드가 종료되는 시점에서 join() 사용
    • InterruptedException 처리 요함

스레드 동기화

• Thread Synchronization
  • 멀티스레드 프로그램 작성 시 주의점
    • 다수의 스레드가 공유 데이터에 동시 접근하는 경우, 공유 데이터의 값에 예상치 못한 결과가 발생할 수 있음
  • 스레드 사이의 실행순서 제어, 공유 데이터에 대한 접근을 원활하게 하는 기법
  • 동기화 핵심: 스레드의 공유 데이터에 대한 배타적 독점 접근 보장
  • 멀티스레드의 공유 데이터 동시 접근 문제 해결책
    • 공유 데이터를 접근하는 모든 스레드의 한 줄 세우기
    • 한 스레드가 공유 데이터에 대한 작업을 끝낼 때까지 다른 스레드가 대기하도록 함
  • 자바에서 스레드 동기화를 위한 방법
    • synchronized 키워드로 동기화 블록 지정
    • wait()-notify() 메소드로 스레드 실행 순서 제어

synchronized 블록 지정

• synchronized 키워드
  • 한 스레드가 독점해서 실행해야 하는 부분(동기화 코드)을 표시하는 키워드
    • 임계 영역(critical section) 표기 키워드
  • 메소드 전체 혹은 코드 블록을 synchronized 블록으로 지정
• synchronized 블록에 대한 컴파일러의 처리
  • 블록 진입 시 락이 걸리고(lock), 블록에서 빠져나올 시 락이 풀림(unlock)

public class Thread04 {
    static SharedPrinter p = new SharedPrinter();   // 공유 데이터 생성
    private static String [] engText = { "Wise men say, ",
            "only fools rush in",
            "But I can't help, ",
            "falling in love with you",
            "Shall I stay? ",
            "Would it be a sin?",
            "If I can't help, ",
            "falling in love with you" };
    private static String [] korText = { "동해물과 백두산이 마르고 닳도록, ",
            "하느님이 보우하사 우리 나라 만세",
            "무궁화 삼천리 화려강산, ",
            "대한 사람 대한으로 길이 보전하세",
            "남산 위에 저 소나무, 철갑을 두른 듯",
            "바람서리 불변함은 우리 기상일세.",
            "무궁화 삼천리 화려강산, ",
            "대한 사람 대한으로 길이 보전하세" };

    public static void main(String[] args) {
        Thread th1 = new WorkerThread(p, engText);
        Thread th2 = new WorkerThread(p, korText);
        th1.start();
        th2.start();
    }
}

class SharedPrinter {   // WorkerThread에 의해 동시 접근되는 클래스
    synchronized void print(String text) {  // synchronized 생략 시 한글과 영어가 한 줄에 섞여 출력되는 경우 발생
        for(int i=0; i<text.length(); i++)
            System.out.print(text.charAt(i));
        System.out.println();
    }
}

class WorkerThread extends Thread { // 스레드 클래스
    private SharedPrinter p;
    private String[] text;

    WorkerThread(SharedPrinter p, String[] text) {
        this.p = p; this.text = text;
    }
    @Override
    public void run() {
        for(int i=0;i<text.length; i++)
            p.print(text[i]);
    }
}

• sychronized 블록 예제

wait()-notify()

• producer-consumer 문제
  • 공유 메모리를 통해 두 개 이상의 스레드가 데이터를 주고 받을 때, 스레드들이 공유 메모리를 동시 접근하는 문제
• producer-consumer 문제를 해결하기 위한 스레드 동기화 메소드
  • Object의 메소드, synchronized 블록 내에서만 사용되어야 함
  • wait(): 다른 스레드가 notify()를 호출할 때까지 대기
  • notify(): 대기하고 있는 스레드를 깨워 RUNNABLE 상태로 만듦
  • notifyAll(): 대기하고 있는 모든 스레드를 깨우고 모두 RUNNABLE 상태로 만듦

import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
import javax.swing.*;

class MyLabel extends JLabel {
    int barSize = 0;
    int maxBarSize;

    MyLabel(int maxBarSize) {
        this.maxBarSize = maxBarSize;
    }

    public void paintComponent(Graphics g) {
        super.paintComponent(g);
        g.setColor(Color.MAGENTA);
        int width =
                (int)((double)getWidth()*barSize/maxBarSize);
        if(width==0) return;
        g.fillRect(0, 0, width, this.getHeight());
    }

    synchronized void fill() {
        if(barSize==maxBarSize) {
            try {
                wait();
            } catch(InterruptedException e) { return; }
        }
        barSize++;
        repaint();
        notify();
    }

    synchronized void consume() {
        if(barSize==0) {
            try {
                wait();
            } catch(InterruptedException e) { return; }
        }
        barSize--;
        repaint();
        notify();
    }
}

class ConsumerThread extends Thread {
    MyLabel bar;
    ConsumerThread(MyLabel bar) {
        this.bar = bar;
    }

    @Override
    public void run() {
        while(true) {
            try {
                sleep(200);
                bar.consume();
            } catch(InterruptedException e) { return; }
        }
    }
}

public class Thread05 extends JFrame {
    private MyLabel bar = new MyLabel(100);

    Thread05() {
        super("Thread Exam 05");
        setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
        setSize(350, 200);

        Container c = getContentPane();
        c.setLayout(null);
        bar.setBackground(Color.ORANGE);
        bar.setOpaque(true);
        bar.setLocation(20, 50);
        bar.setSize(300, 20);
        c.add(bar);
        c.addKeyListener(new KeyAdapter() {
            @Override
            public void keyPressed(KeyEvent e) {
                bar.fill();
            }
        });
        setVisible(true);

        c.setFocusable(true);
        c.requestFocus();
        ConsumerThread ct = new ConsumerThread(bar);
        ct.start();
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread05();
    }
}

• wait()-notify() 예제