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[IT뉴스]자바 쓰레드와 JVM의 쓰레드 동작 '기본부터 살펴보기'

온카뱅크관리자

2024-07-03 02:44:27

<div class="node-body">쓰레딩은 애플리케이션 성능을 개선하기 위해 프로그래밍 프로세스를 동시에 실행하는 방식을 가리키는 용어다. 비즈니스 애플리케이션에서 쓰레드를 직접 다루는 경우는 흔치 않지만 자바 프레임워크에서는 항상 쓰레드를 사용한다. 예를 들어 대량의 정보를 처리하는 프레임워크는 쓰레드를 사용해서 데이터를 관리한다. 쓰레드 또는 CPU 프로세스를 동시에 조작하면 성능이 개선되어 더 빠르고 효율적인 프로그램으로 이어진다.<br>
 <br>
이 기사에서는 전통적인 자바 쓰레드와 자바 가상 머신에서의 쓰레드 실행에 관한 기본적인 사항을 소개한다. 가상 쓰레드와 자바의 새로운 구조적 동시성 모델에 대한 자세한 내용은 <a href="http://www.itworld.co.kr/news/317489" style="font-size: 1.1rem;" target="_blank">프로젝트 룸 : 새로운 자바 동시성 모델 이해하기</a> 기사에서 볼 수 있다.<br>
 
<figure class="image"><img alt="" border="1" height="640" onerror="removeImage($(this));" src="https://www.itworld.co.kr/files/itworld/ITW_202407_01/GettyImages-497531081.jpg" width="640">
<figcaption>ⓒ Getty Images Bank</figcaption>
</figure>

<h2>첫 쓰레드 찾기 : 자바의 main() 메소드</h2>
자바 쓰레드를 직접 다룬 적이 없다 해도 자바의 main() 메소드에 main Thread가 포함되므로 다들 간접적으로는 다뤄봤을 것이다. main() 메소드를 실행할 때마다 main Thread도 함께 실행한 것이기 때문이다.<br>
 <br>
Thread 클래스에 대해 알아두면 자바 프로그램에서 스레딩의 작동 원리를 이해하는 데 상당히 도움이 된다. 다음과 같이 currentThread().getName() 메소드를 호출해서 현재 실행 중인 쓰레드에 액세스할 수 있다.<br>
 
<div style="background:#eeeeee;border:1px solid #cccccc;padding:5px 10px;"><span style="font-family:Courier New,Courier,monospace;">public class MainThread {<br>
<br>
    public static void main(String... mainThread) {<br>
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());<br>
    }<br>
<br>
}</span></div>
 <br>
이 코드는 현재 실행 중인 쓰레드를 식별해서 "main"을 출력한다. 쓰레드 개념을 이해하기 위한 첫 번째 단계는 실행 중인 쓰레드를 식별하는 방법을 아는 것이다.<br>
 
<h2>자바 쓰레드 수명 주기</h2>
쓰레드를 다룰 때는 쓰레드 상태를 인식하는 것이 중요하다. 자바 쓰레드 수명 주기는 다음의 6개 쓰레드 상태로 구성된다.

<ul>
	<li>신규 : 새 Thread()가 인스턴스화됐다.</li>
	<li>실행 가능 : Thread의 start() 메소드가 호출됐다.</li>
	<li>실행 중 : start() 메소드가 호출됐으며 쓰레드가 실행 중이다.</li>
	<li>일시 정지 : 쓰레드가 일시 정지됐으며, 다른 쓰레드에 의해 재개될 수 있다.</li>
	<li>차단됨 : 쓰레드가 실행 기회를 대기 중이다. 한 쓰레드가 이미 synchronized() 메소드를 호출했고, 다음 쓰레드는 이것이 완료될 때까지 기다려야 하는 경우 발생한다.</li>
	<li>종료됨 : 쓰레드 실행이 완료됐다.</li>
</ul>

<figure class="image"><img alt="" border="1" class="d_autolink" height="391" onerror="removeImage($(this));" src="https://www.itworld.co.kr/files/itworld/ITW_202407_01/jw-challenger6-fig1-100786866-orig.jpeg" width="640">
<figcaption>그림 1. 자바 쓰레드 수명 주기의 6개 상태 ⓒ Rafael Chinelato Del Nero</figcaption>
</figure>
 <br>
쓰레드 상태에 대해서는 탐색하고 이해해야 할 부분이 더 많지만 일단 지금은 그림 1의 정보로 충분하다.<br>
 
<h2>Thread 클래스 확장</h2>
가장 간단하게 보면 동시 처리는 다음과 같이 Thread 클래스의 확장을 통해 이뤄진다.<br>
 
<div style="background:#eeeeee;border:1px solid #cccccc;padding:5px 10px;">
<br>
<span style="font-family:Courier New,Courier,monospace;">public class InheritingThread extends Thread {<br>
<br>
    InheritingThread(String threadName) {<br>
        super(threadName);<br>
    }<br>
<br>
    public static void main(String... inheriting) {<br>
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is running");<br>
<br>
        new InheritingThread("inheritingThread").start();<br>
    }<br>
<br>
    @Override<br>
    public void run() {<br>
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is running");<br>
    }<br>
}</span>
</div>
 <br>
여기서는 MainThread와 InheritingThread, 두 개의 쓰레드를 실행 중이다. 새로운 inheritingThread()로 startd() 메소드를 호출하면 run() 메소드의 로직이 실행된다.<br>
 <br>
또한 Thread 클래스 생성자에서 두 번째 쓰레드의 이름을 전달하므로 출력은 다음과 같다.<br>
 
<div style="background:#eeeeee;border:1px solid #cccccc;padding:5px 10px;">
<br>
<span style="font-family:Courier New,Courier,monospace;">main is running.<br>
inheritingThread is running.</span>
</div>

<h2>Runnable 인터페이스</h2>
상속을 사용하는 대신 Runnable 인터페이스를 구현할 수 있다. Thread 생성자 내에 Runnable을 전달하면 결합이 느슨해지고 유연성은 높아진다. Runnable을 전달한 다음에는 이전 예와 똑 같은 방식으로 start() 메소드를 호출할 수 있다.<br>
 
<div style="background:#eeeeee;border:1px solid #cccccc;padding:5px 10px;">
<br>
<span style="font-family:Courier New,Courier,monospace;">public class RunnableThread implements Runnable {<br>
<br>
    public static void main(String... runnableThread) {<br>
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());<br>
<br>
        new Thread(new RunnableThread()).start();<br>
    }<br>
<br>
    @Override<br>
    public void run() {<br>
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());<br>
    }<br>
<br>
}</span>
</div>

<h2>비데몬 쓰레드와 데몬 쓰레드</h2>
실행 측면에서 두 가지 유형의 쓰레드가 있다.

<ul>
	<li>비데몬(non-daemon) 쓰레드는 끝까지 실행된다. main 쓰레드는 비데몬 쓰레드의 좋은 예다. main()의 코드는 System.exit()가 프로그램을 강제로 종료하지 않는 한 항상 끝까지 실행된다.</li>
	<li>데몬(daemon) 쓰레드는 그 반대로, 기본적으로 끝까지 실행할 필요가 없는 프로세스다.</li>
</ul>
 <br>
<strong>기억해야 할 규칙</strong> : 둘러싼 비데몬 쓰레드가 데몬 쓰레드에 앞서 끝나는 경우 데몬 쓰레드는 끝까지 실행되지 않는다.<br>
 <br>
데몬과 비데몬 쓰레드의 관계를 더 잘 이해하기 위해 다음 예제를 살펴보자.<br>
 
<div style="background:#eeeeee;border:1px solid #cccccc;padding:5px 10px;">
<br>
<span style="font-family:Courier New,Courier,monospace;">import java.util.stream.IntStream;<br>
<br>
public class NonDaemonAndDaemonThread {<br>
<br>
    public static void main(String... nonDaemonAndDaemon) throws                        InterruptedException {<br>
        System.out.println("Starting the execution in the Thread " +      Thread.currentThread().getName());<br>
<br>
        Thread daemonThread = new Thread(() -&gt;      IntStream.rangeClosed(1, 100000)<br>
                .forEach(System.out::println));<br>
<br>
        daemonThread.setDaemon(true);<br>
        daemonThread.start();<br>
<br>
        Thread.sleep(10);<br>
<br>
        System.out.println("End of the execution in the Thread " +    <br>
                                           Thread.currentThread().getName());<br>
    }<br>
<br>
}</span>
</div>
 <br>
이 예제에서 필자는 데몬 쓰레드를 사용해 1~100,000의 범위를 선언하고, 이를 모두 반복한 다음 인쇄했다. 기억해야 할 점은 비데몬의 main 쓰레드가 먼저 끝나지 않으면 데몬 쓰레드 실행은 완료되지 않는다는 것이다.<br>
<br>
출력은 다음과 같이 진행된다.
<ol>
	<li>main 쓰레드 실행 시작</li>
	<li>1부터 가능한 100,000까지 숫자 인쇄</li>
	<li>main 쓰레드의 실행 종료(100,000까지 반복이 완료되기 전일 가능성이 매우 높음)</li>
</ol>
 <br>
최종 출력은 JVM 구현에 따라 달라진다.<br>
 <br>
여기서 볼 수 있듯이 쓰레드는 예측이 불가능하다.<br>
 
<h2>쓰레드 우선순위와 JVM</h2>
setPriority 메소드를 사용하여 쓰레드 실행의 우선순위를 정할 수 있지만 마찬가지로 처리되는 방식은 JVM 구현에 따라 달라진다. 리눅스, 맥OS, 윈도우의 JVM 구현은 제각기 다르며 각각 기본값에 따라 쓰레드 우선순위를 처리한다.<br>
 <br>
다만 설정하는 쓰레드 우선순위는 쓰레드 호출의 순서에는 영향을 미친다. Thread 클래스에 선언된 세 가지 상수는 다음과 같다.<br>
 
<div style="background:#eeeeee;border:1px solid #cccccc;padding:5px 10px;">
<br>
<span style="font-family:Courier New,Courier,monospace;"><em>     /**<br>
    * The minimum priority that a thread can have.<br>
     */</em><br>
    public static final int MIN_PRIORITY = 1;<br>
<br>
 <em>  /**<br>
     * The default priority that is assigned to a thread.<br>
     */</em><br>
    public static final int NORM_PRIORITY = 5;<br>
<br>
<em>    /**<br>
     * The maximum priority that a thread can have.<br>
     */</em><br>
    public static final int MAX_PRIORITY = 10;</span>
</div>
 <br>
다음 코드에서 테스트를 실행해서 실제 실행 우선순위를 확인해볼 수 있다.<br>
 
<div style="background:#eeeeee;border:1px solid #cccccc;padding:5px 10px;"><span style="font-family:Courier New,Courier,monospace;"> <br>
public class ThreadPriority {<br>
<br>
    public static void main(String... threadPriority) {<br>
        Thread moeThread = new Thread(() -&gt; System.out.println("Moe"));<br>
        Thread barneyThread = new Thread(() -&gt; System.out.println("Barney"));<br>
        Thread homerThread = new Thread(() -&gt; System.out.println("Homer"));<br>
<br>
        moeThread.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);<br>
        barneyThread.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);<br>
        homerThread.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);<br>
<br>
        homerThread.start();<br>
        barneyThread.start();<br>
        moeThread.start();<br>
    }<br>
<br>
}</span></div>
<br>
moeThread를 MAX_PRIORITY로 설정했음에도 이 쓰레드가 가장 먼저 실행된다고 단정할 수는 없다. 실행 순서는 무작위다.<br>
 
<h2>상수와 열거형에 대한 참고 사항</h2>
Thread 클래스는 첫 자바 릴리즈에서 도입됐다. 당시에는 열거형이 아닌 상수를 사용해 우선순위를 설정했다. 그러나 상수 사용에는 문제가 있다. 1~10 범위에 있지 않은 우선순위 숫자를 전달하는 경우 setPriority() 메소드에서 IllegalArgumentException이 발생한다는 것이다. 지금은 열거형을 사용해서 이 문제를 피해갈 수 있다. 열거형을 사용하면 잘못된 인수를 전달하는 것이 불가능하므로 코드가 간소화되고 실행의 더 많은 부분을 제어할 수 있게 된다.<br>
 
<h2>자바 쓰레드에 대해 기억해야 할 점</h2>

<ul>
	<li>Thread를 시작하려면 start() 메소드를 호출한다.</li>
	<li>쓰레드를 사용하기 위해 Thread 클래스를 직접 확장할 수 있다.</li>
	<li>Runnable 인터페이스 내에서 쓰레드 동작을 구현할 수 있다.</li>
	<li>쓰레드 우선순위는 JVM 구현에 따라 달라진다.</li>
	<li>쓰레드 동작 역시 JVM 구현에 따라 달라진다.</li>
	<li>데몬 쓰레드를 둘러싼 비데몬 쓰레드가 먼저 종료되지 않으면 데몬 쓰레드는 완료되지 않는다.</li>
</ul>

<h2>자바 쓰레드에서 하기 쉬운 실수</h2>

<ul>
	<li>run() 메소드 호출은 새 쓰레드를 시작하는 방법이 아니다.</li>
	<li>쓰레드 시작을 두 번 시도할 경우 IllegalThreadStateException이 발생한다.</li>
	<li>여러 프로세스가 객체의 상태를 변경하도록 허용하지 말아야 한다.</li>
	<li>쓰레드 우선순위(예측할 수 없음)에 의존하는 프로그램 로직을 쓰면 안 된다.</li>
	<li>쓰레드 실행 순서에 의존하면 안 된다. 쓰레드를 먼저 시작한다 해도 그 쓰레드가 먼저 실행된다는 보장은 없다.</li>
</ul>

<h2>자바 쓰레드 과제에 도전하기!</h2>
지금까지 자바 쓰레드에 대해 몇 가지를 배웠으니 자바 과제를 통해 배운 것을 테스트해보자. <br>
 
<div style="background:#eeeeee;border:1px solid #cccccc;padding:5px 10px;">
<br>
<span style="font-family:Courier New,Courier,monospace;">public class ThreadChallenge {<br>
    private static int wolverineAdrenaline = 10;<br>
<br>
    public static void main(String... doYourBest) {<br>
        new Motorcycle("Harley Davidson").start();<br>
<br>
        Motorcycle fastBike = new Motorcycle("Dodge Tomahawk");<br>
        fastBike.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);<br>
        fastBike.setDaemon(false);<br>
        fastBike.start();<br>
<br>
        Motorcycle yamaha = new Motorcycle("Yamaha YZF");<br>
        yamaha.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);<br>
        yamaha.start();<br>
    }<br>
<br>
    static class Motorcycle extends Thread {<br>
        Motorcycle(String bikeName) { super(bikeName); }<br>
<br>
        @Override public void run() {<br>
            wolverineAdrenaline++;<br>
            if (wolverineAdrenaline == 13) {<br>
                System.out.println(this.getName());<br>
            }<br>
        }<br>
    }<br>
}</span>
</div>
 <br>
다음 중 이 코드의 출력은 무엇이라고 생각하는가? <br>
A. Harley Davidson<br>
B. Dodge Tomahawk<br>
C. Yamaha YZF<br>
D. Indeterminate<br>
 
<h2>과제 해결</h2>
앞선 코드에서는 세 가지 쓰레드를 만들었다. 첫 번째 쓰레드는 Harley Davidson이고 기본 우선순위를 부여했다. 두 번째 쓰레드는 Dodge Tomahawk, 우선 순위는 MAX_PRIORITY다. 세 번째는 Yamaha YZF, 우선순위는 MIN_PRIORITY다. 그런 다음 쓰레드를 시작했다.<br>
 <br>
쓰레드가 실행되는 순서를 확인하기 위해 먼저 Motorcycle 클래스가 Thread 클래스를 확장하고, 생성자에서 쓰레드 이름을 전달했음을 볼 수 있을 것이다. 또한 if (wolverineAdrenaline == 13) 조건으로 run() 메소드를 오버라이딩했다.<br>
 <br>
Yamaha YZF는 실행 순서에서 세 번째 쓰레드고 MIN_PRIORITY가 할당되었지만 모든 JVM 구현에서 이 쓰레드가 마지막으로 실행된다는 보장은 없다.<br>
 <br>
또한 이 예제에서 Dodge Tomahawk 쓰레드를 daemon으로 설정했음을 볼 수 있다. Dodge Tomahawk는 데몬 쓰레드이므로 실행이 완료되지 않을 수 있다. 그러나 다른 두 개의 쓰레드는 기본적으로 비데몬이므로 Harley Davidson과 Yamaha YZF 쓰레드는 실행을 확실히 완료하게 된다.<br>
 <br>
이렇게 해서 결과는 D: Indeterminate가 된다. 쓰레드 스케줄러가 실행 순서 또는 쓰레드 우선순위를 따른다는 보장이 없기 때문이다.<br>
 <br>
프로그램 로직(쓰레드 순서 또는 쓰레드 우선순위)에 의존해서 JVM의 실행 순서를 예측할 수는 없다는 점을 기억하라.<br>
 
<h2>변수 인수 디버깅 영상 과제</h2>
디버깅은 코드를 개선하면서 프로그래밍 개념을 완전히 습득하기 위한 가장 쉬운 방법 중 하나다. 이 영상에서는 필자가 쓰레드 동작 과제를 디버깅하고 설명하는 과정을 살펴볼 수 있다.<br>
<br>
<iframe allow="accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture; web-share" allowfullscreen="" frameborder="0" height="315" referrerpolicy="strict-origin-when-cross-origin" onerror="removeImage($(this));" src="https://www.youtube.com/embed/t7Mj_v0ouDc?si=INiwzHsBHvCxRJnI" title="YouTube video player" width="560"></iframe> editor@itworld.co.kr </div>

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