Top 38 멀티 스레드 프로그래밍 Quick Answer

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초보 탈출 #2 – 멀티 스레드 프로그래밍의 1

멀티 쓰레드 프로그래밍이란?

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멀티 쓰레드 프로그래밍이란

Thread 클래스와 Runnable 인터페이스

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# SimpleThread

# Producer-consumer pattern (ThreadQueue)

# Guarded suspension pattern (SuspensionQueue)

# Scheduler

# Worker

ì´ë³´ íì¶ #2 – ë©í° ì¤ë ë íë¡ê·¸ëë° 1 | 10ë¶ TV

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자바에서 제공하는 멀티쓰레드 프로그래밍에 대해 공부해보자 📖

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

지난 9주차 과제 회고 ✍️

Exception을 계속 throw 하
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멀티쓰레드 프로그래밍

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Most searched keywords: Whether you are looking for [C++] 멀티스레딩 프로그래밍 (1) 멀티스레딩 프로그래밍(multithreaded programming)은 프로세서 유닛이 여러 개 장착된 컴퓨터 시스템에서 중요한 기법이며, 이를 이용하여 시스템에 … References Professional C++ https://en.cppreference.com/w/ Contents 멀티스레드 프로그래밍 개념 Thread Atomic Operations Library 이번 포스팅에서는 C++의 멀티스레딩 프로그래밍에 대해서 알아보려고 합니..
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1 멀티스레드 프로그래밍 개념

2 Threads

3 Atomic Operations Library

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멀티 쓰레드 프로그래밍이란?

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멀티쓰레드 프로그래밍

Process란?

실행중인 프로그램을 의미

운영체제로부터 메모리 공간을 할당 받아 실행중인 것을 말한다. 이러한 프로세스는 프로그램에 사용되는 데이터와 메모리 등의 자원, 쓰레드로 구성된다.

Thread란?

프로세스 내에서 작업을 수행하는 일꾼(주체)

모든 프로세스에는 1개 이상의 쓰레드가 존재하여 작업을 수행

1개의 쓰레드를 가지는 프로세스를 싱글 쓰레드 프로세스라고 한다

2개 이상의 쓰레드를 가지는 프로세스를 멀티 쓰레드 프로세스 라고 한다.

라고 한다. 경량 프로세스라고 불리며 가장 작은 실행단위이다.

프로세스의 자원을 이용해서 작업을 수행한다.

멀티 태스킹(multi-tasking)

여러개의 프로세스가 동시에 실행될 수 있는 것.

멀티 쓰레딩(multi-threading)

하나의 프로세스 내에서 여러 쓰레드가 동시에 작업을 수행하는 것

CPU의 코어(Core)가 한 번에 하나의 작업만 수행할 수 있으므로, 실제로 동시에 처리되는 작업의 개수와 일치한다.

코어가 아주 짧은 시간 동안 여러 작업을 번갈아 가며 수행함으로써 여러 작업들이 모두 동시에 수행되는 것처럼 보이게한다.

프로세스의 성능은 쓰레드의 개수와 비례하지 않는다.

여러 쓰레드가 같은 프로세스 내에서 자원을 공유하면서 작업을 하기 때문에 발생할 수 있는 동기화(Synchronization), 교착상태(deadlock) 와 같은 문제들을 고려해서 신충히 프로그래밍 해야한다.

자바 Thread

JVM을 사용하면 여러 쓰레드를 가질 수 있다. 모든 쓰레드에는 우선순위가 있다. 우선 순위가 높은 쓰레드가 우선 순위가 낮은 쓰레드보다 우선적으로 실행된다. 각 쓰레드는 데몬 쓰레드로 마크가 될수도 있다. 데몬 쓰레드란 사용자 쓰레드를 보조하는 쓰레드이며, 자바에서는 대표적으로 Garbage Collector가 데몬 쓰레드이다.

일부 쓰레드에서 새로운 Thread 객체를 생성할 때 새로운 쓰레드는 자신을 생성한 쓰레드의 우선 순위와 동일한 우선순위를 가지며 데몬 쓰레드일 경우 데몬 쓰레드가 된다.

JVM이 시작될때 일반적으로 하나의 쓰레드가 있는데 다음 중 하나가 발생할 때 까지 쓰레드를 유지한다.

Runtime 클래스의 종료 메서드가 호출되었으며 보안관리자(Security manager)가 종료 조작이 발생하도록 허용했을 때 종료된다.

데몬 쓰레드가 아닌 모든 쓰레드는 실행된 후 run() 메서드의 작업이 끝나거나 run 메서드 이외에서 예외를 throw 했을 때 종료된다.

모든 쓰레드는 식별을 목적으로 이름을 가지고 있다. main메서드의 작업을 수행하는 것도 하나의 쓰레드로 이름이 main이다. 둘 이상의 쓰레드가 동일한 이름을 가질수 있고 쓰레드가 생성될 때 이름이 지정되지 않으면 Thread-숫자 형식으로 새 이름이 생성된다. 숫자는 0부터 시작하여 1씩 증가한다. 따로 명시되지 않는 한 쓰레드 생성자 또는 메서드에 null 값을 넣으면 NullPointerException 이 throw된다. Thread 클래스의 생성자들 중 init()를 살표보면 매개변수 중 name 값이 null 이면 NullPointerException 을 던지는 것을 확인할 수 있다.

Thread 클래스와 Runnable 인터페이스

자바에서 쓰레드를 생성하는 방법은 크게 두가지로 나눌 수 있다

Thread 클래스를 사용 Runnalbe 인터페이스를 사용

1. Thread 클래스를 상속받는 방법

클래스를 Thread의 자식 클래스로 선언하는 것이다. 자식 클래스는 실행 메서드(run 메서드)를 재정의 하여 인스턴스를 할당하고 실행할 수 있다. Thread 클래스는 Runnable 인터페이스를 구현한 클래스이다.

public class ThreadTest { public static void main(String[] args) { SubThread thread = new SubThread(); thread.start(); } } class SubThread extends Thread { @Override public void run() { for (int i = 0; i < 5; i++) { System.out.println("Thread 클래스를 상속받은 클래스."); } } } > Task: ThreadTest.main() > Thread 클래스를 상속받은 클래스. > Thread 클래스를 상속받은 클래스. > Thread 클래스를 상속받은 클래스. > Thread 클래스를 상속받은 클래스. > Thread 클래스를 상속받은 클래스.

2. Runnalbe 인터페이스를 구현하는 방법

Runnalbe 인터페이스를 구현하는 클래스를 만들어 사용하는 방법으로 해당 클래스는 run() 메서드를 구현한다. run() 메서드를 구현했다면 클래스의 인스턴스를 할당하고 Thread를 만들 때 인수로 전달하고 시작할 수 있다.

public class ThreadTest { public static void main(String[] args) { Runnable myThread = new MyThread2(); Thread thread = new Thread(myThread); thread.start(); } } class MyThread implements Runnable { @Override public void run() { for (int i = 0; i < 5; i++) { System.out.println("Runnable을 구현해서 만든 쓰레드"); } } } > Task: ThreadThest.main() > “Runnable을 구현해서 만든 쓰레드” > “Runnable을 구현해서 만든 쓰레드” > “Runnable을 구현해서 만든 쓰레드” > “Runnable을 구현해서 만든 쓰레드” > “Runnable을 구현해서 만든 쓰레드”

Runnable 인터페이스를 구현한 경우, 클래스의 인스턴스를 생성한 다음 인스턴스를 Thread 클래스의 생성자의 매개변수로 제공해야 한다.

public vlass Thread { private Runnable r; // Runnable을 구현한 클래스의 인스턴스를 참조하기 위한 변수 public Thread(Runnable r) { this.r = r; } public void run() { if (r != null) { r.run(); // Runnable 인터페이스를 구현한 인스턴스의 run()을 호출 } } }

Thread 클래스를 상속받으면 다른 클래스를 상속 받을 수 없기 때문에, Runnable 인터페이스를 구현하는 방법이 일반적이다. Thread 클래스가 다른 클래스를 확장할 필요가 있을 경우에는 Runnable 인터페이스를 구현하면 된다.

Runnable 인터페이스를 구현하는 방법은 재사용성(reusablity)이 높고 코드의 일관성(consistency)을 유지할 수 있기 때문에 보다 객체지향적인 방법이라 할 수 있다.

Runnable 인터페이스

Runnable 인터페이스는 함수형 인터페이스로 run() 추상 메서드 하나만 존재한다. 구현하는 클래스에서 run() 메서드를 구현하는 걸로 쓰레드에게 작업할 내용을 설정할 수 있다.

Thread 클래스

Thread 클래스에는 접근지정자가 public 인 필드는 3개만 존재한다. 모두 쓰레드의 우선 순위에 대한 상수 필드이다.

public final static int MIN_PRIORITY = 1 (우선 순위 최소값)

public final static int NORM_PRIORITY = 5 (우선 순위 기본값)

public final static int MAX_PRIORITY (우선 순위 최대값)

Thread 클래스의 생성자에서 인자들이 가지는 의미

String gname

이름을 지정하지 않고 쓰레드를 생성할 때 자동으로 생성되는 이름이다. 자동으로 생성되는 이름은 Thread-정수 형식을 가진다. String name

쓰레드 생성자에 인자로 주는 새로운 쓰레드의 이름을 의미한다.

이름을 지정하지 않고 쓰레드를 생성할 때 자동으로 생성되는 이름이다. 자동으로 생성되는 이름은 형식을 가진다. Runnable target

target은 쓰레드가 시작될 때 run() 메서드가 호출될 객체이다.

target은 쓰레드가 시작될 때 메서드가 호출될 객체이다. ThreadGroup group

group은 생성할 쓰레드를 설정할 쓰레드 그룹이다. group 값이 null 이면서 security manager가 존재한다면 그룹은 SecurityManager.getThreadGroup()에 의해서 결정된다. security manager가 없거나 SecurityManager.getThreadGroup()이 null을 반환한다면 현재 쓰레드의 그룹으로 설정된다.

group은 생성할 쓰레드를 설정할 쓰레드 그룹이다. group 값이 null 이면서 security manager가 존재한다면 그룹은 SecurityManager.getThreadGroup()에 의해서 결정된다. security manager가 없거나 SecurityManager.getThreadGroup()이 null을 반환한다면 현재 쓰레드의 그룹으로 설정된다. long stackSzie

새로운 쓰레드의 스택 사이즈를 의미한다. 0이면 이 인자는 없는것과 같다. stackSize는 가상 머신이 쓰레드의 스택에 할당 할 주소 공간의 대략적인 바이트 수를 말한다.

구현과 실행에 관련된 run() 메서드와 start() 메서드

public void run() : 쓰레드가 실행되면 run() 메서드를 호출하여 작업을 한다.

public synchronized void start() : 쓰레드를 실행시키는 메서드이다. start 메서드가 호출되었다고 해서 바로 실행되는 것이 아니라 일단 실행 대기 상태에 있다가 자신의 차례가 되어야 실행된다.

run() 메서드와 start() 메서드의 차이점

쓰레드를 시작할때 start() 메서드를 호출해서 쓰레드를 실행한다. main 메서드에서 run() 메서드를 호출하는 것은 생성된 쓰레드를 실행시키는 것이 아니라 단순히 메서드를 호출하는 것이다. 반면 start() 메서드를 호출하면 새로운 쓰레드가 작업을 실행하는데 필요한 새로운 호출 스택(call stack)을 생성한 다음 run() 메서드를 호출한다. 새로 생성된 콜 스택에 run() 메서드가 첫 번째로 올라가데 한다. run() 메서드의 수행이 종료된 쓰레드는 콜 스택이 모두 비워지면서 생성된 호출 스택도 소멸된다.

한 번 실행이 종료된 쓰레드는 다시 실행 할 수 없다. 즉 하나의 쓰레드에 대해 start() 메서드가 한 번만 호출될 수 있다는 뜻이다.하나의 쓰레드 객체에 대해 start() 메서드를 두 번이상 호출하면 실행시 IllegalThreadStateException 이 발생한다.

// 다음과 같은 경우는 첫번째 스레드를 실행 후 또 다른 쓰레드를 생성하여 실행하기 때문에 정상 실행된다. MyThread1 thread1 = new MyThread1(); thread1.start(); thread1 = new MyThread1(); thread1.start();

한 쓰레드에서 예외가 발생하여 종료되더라도 다른 쓰레드의 실행에는 영향을 미치지 않는다.

Thread 메서드

메서드 설명 static void sleep(long millis)

static void sleep(long millis, int nanos) 지정한 시간(1/1000초) 동안 쓰레드를 일시정지 시킨다.

지정한 시간이 지나고 나면 다시 실행 대기 상태가 된다. void join()

void join(long millis)

void join(long millis, int nanos) 지정한 시간동안 쓰레드가 실행되도록 한다.

지정된 시간이 지나거나 작업이 종료되면 join()을 호출한 쓰레드로 다시 돌아와 실행을 계속한다. void interrupt() 쓰레드에게 작업을 멈추라고 요청한다. 쓰레드의 interrupted 상태를 false에서 true로 변경한다. static boolean interrupted() sleep()이나 join()에 의해 일시정지 상태인 쓰레드를 깨워서 실행대기상태로 만든다.

해당 쓰레드에서는 interruptedException이 발생함으로써 일시정지 상태를 벗어나게 된다. @Deprecated void stop() 쓰레드를 즉시 종료시킨다. @Deprecated void suspend() 쓰레드를 일시정지 시킨다. resume()을 호출하면 다시 실행 대기상태가 된다, @Deprecated void resume() suspend()에 의해 일시정지 상태에 있는 쓰레드를 실행대기 상태로 만든다. static void yield() 실행 중에 자신에게 주어진 실행시간을 다른 쓰레드에게 양보(yield)하고 자신은 실행 대기 상태가 된다. currentThread() 현재 실행중인 thread 객체의 참조를 반환한다. destroy() clean up 없이 쓰레드를 파괴한다.@Deprecated 된 메서드로 suspend()와 같이 교착상태(deadlock)을 발생시키기 쉽다. isAlive() 쓰레드가 살아있는지 확인하기 위한 메서드이다. 쓰레드가 시작되고 아직 종료되지 않았다면 살아있는 상태이다. setPriority(int newPriority) 쓰레드의 우선순위를 새로 설정할 수 있는 메서드이다. getPriority() 쓰레드의 우선순위를 반환한다. setName(String name) 쓰레드의 이름을 새로 설정한다. getName(String name) 쓰레드의 이름을 반환한다. getThreadGroup() 쓰레드가 속한 쓰레드 그룹을 반환한다. 종료됐거나 정지된 쓰레드라면 null을 반환한다. activeCount() 현재 쓰레드의 쓰레드 그룹 내의 쓰레드 수를 반환한다. enumerate(Thread[] tarray) 현재 쓰레드의 쓰레드 그룹내에 있는 모든 활성화된 쓰레드들을 인자로 받은 배열에 넣는다. 그리고 활성화된 쓰레드의 숫자를 int 타입의 정수로 반환한다. dumpStack() 현재 쓰레드의 stack trace를 반환한다. setDaemon(boolean on) 이 메서드를 호출한 쓰레드를 데몬 쓰레드 또는 사용자 쓰레드로 설정한다.

JVM은 모든 쓰레드가 데몬 쓰레드만 있다면 죵료된다. 이 메서드는 쓰레드가 시작되기 전에 호출되어야 한다. isDaemon() 이 쓰레드가 데몬 쓰레드인지 아닌지를 확인하는 메서드이다. 데몬 쓰레드면 true, 아니면 false를 반환한다. getStackTrace() 호출하는 쓰레드의 스택 덤프를 나타내는 스택 트레이스 요소의 배열을 반환한다. getAllStackTrace() 활성화된 모든 쓰레드의 스택 트레이스 요소의 배열을 value로 가진 map을 반환한다. key는 thread이다. getId() 쓰레드의 고유값을 반환한다. 고유값은 long 타입의 정수이다. getState() 쓰레드의 상태를 반환한다.

쓰레드의 상태

쓰레드의 현재 상태를 나타낸다.

상태 의미 NEW 쓰레드 객체는 생성되었지만 아직 시작되지 않은 상태 (start()가 호출되지 않은 상태) RUNNABLE 쓰레드가 실행중인 상태 또는 실행 가능한 상태 BLOCKED 쓰레드가 실행 중지 상태이며, 모니터 락(monitor lock)이 풀리기를 기다리는 상태 WAITING 쓰레드가 대기중인 상태, 쓰레드의 작업이 종료되진 않았지만 실행가능하지 않은(unrunnable) 일시 정지 상태 TIMED_WAITING WAITING 상태에서 일시정지시간이 지정된 경우를 의미 TERMINATED 쓰레드의 작업이 종료된 상태

sleep()

밀리세컨드와 나노세컨드의 시간단위로 값을 지정할 수 있지만 어느 정도 오차가 발생할 수 있다.

sleep()에 의해 일시정지 상태가 된 쓰레드는 지정된 시간이 다 되거나 interrupt() 가 호출되면 (InterruptedExcetpion 발생시킴) 깨어나 실행 대기 상태가 된다.

sleep() 메서드를 호출할 때는 항상 try-catch 문으로 InterruptedExcetpion을 예외처리 해주어야 한다.

sleep()는 항상 현재 실행 중인 쓰레드에 대해 작동한다. static으로 선언되어 있으며 참조변수를 이용해서 호출하기 보다는 Thread.sleep(1000)와 같이 호출해야 한다.

interrupt()

public void interrupt()

쓰레드의 interrupted 상태를 false에서 true로 변경, 쓰레드에게 작업을 멈추라고 요청한다. 요청만 할 뿐 쓰레드를 강제로 종료시키는 것은 아니다.

쓰레드의 interrupted 상태를 false에서 true로 변경, 쓰레드에게 작업을 멈추라고 요청한다. 요청만 할 뿐 쓰레드를 강제로 종료시키는 것은 아니다. public boolean insInterrupted()

쓰레드의 interrupted 상태를 반환, interrupt()가 호출되었는지 확인하는데 사용할 수 있지만 interrupted()와 달리 interrupted 상태를 false로 초기화하지 않는다.

쓰레드의 interrupted 상태를 반환, interrupt()가 호출되었는지 확인하는데 사용할 수 있지만 interrupted()와 달리 interrupted 상태를 false로 초기화하지 않는다. public static boolean interrupted()

현재 쓰레드의 interrupted 상태를 반환 후 false로 변경, 쓰레드가 sleep(), wait(), join()에 의해 ‘일시정지 상태 (waiting)’에 있을때 해당 쓰레드에 대해 interrupt()를 호출하면 sleep(), wait(), join()에서 interruptedException 이 발생하고 쓰레드는 ‘실행 대기 상태(Runnalbe);로 바뀐다.

suspend(), resume(), stop()

suspend()

sleep()처럼 쓰레드를 일시정지 한다.

sleep()처럼 쓰레드를 일시정지 한다. resume()

suspend()에 의해 일시정지 상태에 있는 쓰레드를 실행대기 상태로 만든다.

suspend()에 의해 일시정지 상태에 있는 쓰레드를 실행대기 상태로 만든다. stop()

호출되는 즉시 쓰레드가 종료된다.

위 세 메서드는 쓰레드의 실행을 제어하는 가장 손쉬운 방법이지만, suspend()와 stop()가 교착 상태(deadlock)을 일으키기 쉽게 작성되어 있어 이 메서드들은 모두 @Deprecated 되었다.

yield()

쓰레드 자신에게 주어진 실행시간을 다음 차례의 쓰레드에게 양보(yield)한다.

yield()와 interrupt()를 적절히 사용하면, 프로그램의 응답성을 높이고 보다 효율적인 실행이 가능하게 할 수 있다.

join()

쓰레드 자신이 하던 작업을 잠시 멈추고 다른 쓰레드가 지정된 시간동안 작업을 수행하도록 할 때 사용한다.

시간을 지정하지 않으면 해당 쓰레드가 작업을 모두 마칠 때까지 기다린다. 작업중에 다른 쓰레드의 작업이 먼저 수행되어야할 필요가 있을때 join()를 사용한다.

join()도 sleep() 처럼 interrupt()에 의해 대기상태에서 벗어날 수 있으며, join()가 호출되는 부분을 try-catch문으로 감싸서 InterruptedException 을 catch해야 한다.

sleep()와 다른점은 join()는 현재 쓰레드가 아닌 특정 쓰레드에 대해 동작하므로 static 메서드가 아니라는 점이다.

쓰레드의 우선순위

Java에서 각 쓰레드는 우선순위(Priority)에 관한 자신만의 필드를 가지고 있다. 이러한 우선 순위에 따라 특정 쓰레드가 더 많은 시간동안 작업을 할 수 있도록 설정한다. 쓰레드가 수행하는 작업의 중요도에 따라 쓰레드의 우선순위를 다르게 지정하여 특정 쓰레드가 더 많은 작업시간을 갖도록 할 수 있다.

필드 설명 static int MAX_PRIORITY 쓰레드가 가질 수 있는 최대 우선순위를 명시함 static int MIN_PRIORITY 쓰레드가 가질 수 있는 최소 우선순위를 명시함 static int NORM_PRIORITY 쓰레드가 생성될 때 가지는 기본 우선순위를 명시함

getPriority()와 setPriority() 메서드를 통해 쓰레드위 우선순위를 반환하거나 변경할 수 있다. 쓰레드의 우선순위가 가질 수 있는 범위는 1부터 10까지이며, 숫자가 높을 수록 우선순위가 높아진다. 하지만 쓰레드의 우선순위는 상재적인 값일 뿐이다. 우선순위가 10인 쓰레드가 우선순위가 1인 쓰레드보다 10배 더 빨리 수행되는 것이 아니다. 단지 우선순위 10이 1보다 좀 더 많이 실행 큐에 포함되어 좀 더 많은 작업 시간을 할당받을 뿐이다.

Main 쓰레드

Java는 실행 환경인 JVM(Java Virtual Machine)에서 돌아가게 된다.이것이 하나의 프로세스이고 Java를 실행하기 위해 우리가 실행하는 main() 메서드가 메인 쓰레드이다. main()메서드는 메인 쓰레드의 시작점을 선언하는 것이다.

public class MainMethod { public static void main(String[] args) { // … } }

따로 쓰레드를 실행하지 않고 main() 메서드만 실행하는 것을 싱글쓰레드 애플리케이션 이라고 한다.

메인 쓰레드는 자바에서 처음으로 실행되는 쓰레드이자 모든 쓰레드는 메인 쓰레드로 부터 생성된다.

Daemon Thread

데몬 쓰레드는 다른 일반 쓰레드(데몬 쓰레드가 아닌 쓰레드)의 작업을 돕는 보조적인 역할을 수행하는 쓰레드이다. 데몬 쓰레드는 일반 쓰레드의 보조 역할을 수행하므로 일반 쓰레드가 모두 종료되고 나면 데몬 쓰레드의 존재 의미가 없어지기 떄문에 일반 쓰레드가 모두 종료되면 데몬 쓰레드는 강제적으로 자동 종료된다.

isDaemon()

쓰레드가 데몬인지 확인한다. 데몬 쓰레드면 true, 아니면 false

쓰레드가 데몬인지 확인한다. 데몬 쓰레드면 true, 아니면 false setDaemon()

쓰레드를 데몬 쓰레드로 또는 사용자 쓰레드로 변경한다. true면 데몬 쓰레드가 된다.

public class ThreadExample { public static void main(String[] args) { Thread main = Thread.currentThread(); MyThread1 th1 = new MyThread1(); th1.setDaemon(true); System.out.println(“main.isDaemon() : ” + main.isDaemon()); System.out.println(“th1.isDaemon() : ” + th1.isDaemon()); } } class MyThread1 extends Thread { @Override public void run() { super.run(); } } > Task: ThreadExample.main() > main.isDaemon() : false > th1.isDaemon() : true

// long의 최대값 만큼 대기 public class DaemonThread extends Thread { public void run() { try { Thread.sleep(Long.MAX_VALUE); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } } public void runCommonThread() { DaemonThread thread = new DaemonThread(); thread.start(); } // 프로그램이 대기하지 않고 그냥 끝나버린다. // 데몬 쓰레드는 해당 쓰레드가 종료되지 않아도 다른 실행중인 일반 쓰레드가 없다면 멈춰버린다. public void runDaemonThread() { DaemonThread thread = new DaemonThread(); thread.setDaemon(true); thread.start(); }

데몬쓰레드를 만든 이유

예를들어 모니터링하는 쓰레드를 별도로 띄워 모니터링을 하다가, Main 쓰레드가 종료되면 관련된 모니터링 쓰레드가 종료되어야 프로세스가 종료될 수 있다. 모니터링 쓰레드를 데몬 쓰레드로 만들지 않으면 프로세스가 종료할 수 없게 된다. 이렇게 부가적인 작업을 수행하는 쓰레드를 선언할 때 데몬 쓰레드를 만든다.

동기화 (Synchronize)

싱글 쓰레드 프로세스의 경우 프로세스 내에서 단 하나의 쓰레드만 작업하기 때문에 프로세스의 자원을 가지고 작업하는데는 별 문제가 없다. 멀티 쓰레드 프로세스의 경우 여러 쓰레드가 같은 프로세스 내의 자원을 공유해서 작업하기 때문에 서로의 작업에 영향을 주게 된다. 공유 자원 접근 순서에 따라 실행 결과가 달라지는 프로그램의 영역 을 임계구역(critical section) 이라고 한다.

임계구역 해결 조건

상호 배제 (mutual exclusion)

한 쓰레드가 임계구역에 들어가면 다른 쓰레드는 임계구역에 들어갈 수 없다. 이것이 지켜지지 않으면 임계구역을 설정한 의미가 없어진다.

한 쓰레드가 임계구역에 들어가면 다른 쓰레드는 임계구역에 들어갈 수 없다. 이것이 지켜지지 않으면 임계구역을 설정한 의미가 없어진다. 한정 대기 (bounded waiting)

한 쓰레드가 계속 자원을 사용하고 있어 다른 쓰레드가 사용하지 못한 채 계속 기다리면 안된다. 어떤 쓰레드도 무한 대기 (infinite postpone) 하지 않아야 한다. 특정 쓰레드가 임계구역에 진입하지 못하면 안된다.

한 쓰레드가 계속 자원을 사용하고 있어 다른 쓰레드가 사용하지 못한 채 계속 기다리면 안된다. 어떤 쓰레드도 무한 대기 (infinite postpone) 하지 않아야 한다. 특정 쓰레드가 임계구역에 진입하지 못하면 안된다. 진행의 융통성(progress flexibility)

한 쓰레드가 다른 쓰레드의 작업을 방해해서는 안된다.

임계구역과 잠금(lock)의 개념을 활용해서 한 쓰레드가 특정 작업을 마치기 전까지 다른 쓰레드에 의해 방해받지 않도록 할 수 있다.

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

이처럼 한 쓰레드가 진행중인 작업을 다른 쓰레드가 간섭하지 못하도록 막는 것을 쓰레드의 동기화(synchronization) 이라고 한다.

자바에서 동기화 하는 방법은 3가지로 분류한다.

Synchronized 키워드

Atomic 클래스

Volatile 키워드

Synchronized 키워드

Java 예약어 중 하나로 변수명이나, 클래스명으로 사용이 불가능하다 Synchronized 사용 방법

메소드 자체를 synchronized로 선언하는 방법(synchronized methods) public synchronized void calcSum() { // ,,, }

다른 하나는 메서드 내의 특정 문장만 synchronized로 감싸는 방법 (synchronized statements) synchronized (객체의 참조변수) { // … } 두 가지 방법 모두 lock의 획득과 반납이 자동적으로 이루어지므로 임계구역만 지정해주면 된다.

임계 구역은 멀티쓰레드 프로그램의 성능을 좌우하기 때문에 가능하면 매서드 전체에 락을 거는 것보다 syncjronized 블럭으로 임계구역을 최소화해서 보다 효율적인 프로그램이 되도록 노력해야한다. public class Calculate { private int amount; private int interest; public static Obejct interestLock = new Object(); public Calculate() { amount = 0; } public void addInterest(int value) { synchronized(interestLock) { interest += value; } } public void plus(int value) { synchronized (this) { amount += value; } } public sychronized void minus(int value) { amount -= value; } public int getAmount() { return amount; } }

Atomic

Atomicity(원자성)의 개념은 ‘쪼갤 수 없는 가장 작은 단위’를 뜻한다.

자바의 Atomic Type은 Wrapping 클래스의 일종으로, 참조 타입과 원시 타입 두 종류의 변수에 모두 적용이 가능하다. 사용시 내부적으로 CAS(Compare-And-Swap) 알고리즘을 사용해 lock 없이 동기화 처리를 할 수 있다.

Atomic Type의 경우 volatile과 synchronized와 달리 java.util.concurrent.atomic 패키지에 정의된 클래스이다.

CAS는 특정 메모리 위치와 주어진 위치의 value를 비교하여 다르면 대체하지 않는다.

변수를 선언할때 타입을 Atomic Type으로 선언해주면 된다. ex) AtomicLong

Compare-And-Swap(CAS) 란?

메모리 위치의 내용을 주어진 값과 비교하고 동일한 경우에만 해당 메모리 위치의 내용을 새로 주어진 값으로 수정한다.

현재 주어진 값(현재 쓰레드에서의 데이터)과 실제 데이터와 저장된 데이터를 비교해서 두 개가 일치할때만 값을 업데이트 한다. 이 역할을 하는 메서드가 compareAndSet()이다. 즉 synchronized 처럼 임계구역에 같은 시점에 두개 이상의 쓰레드가 접근하려 하면 쓰레드 자체를 blocking 시키는 매커니즘이 아니다.

Volatile

volatile 키워드는 Java 변수를 Main Memory에 저장하겠다라는 것을 명시하는 것이다.

매번 변수의 값을 Read할 때마다 CPU cache에 저장된 값이 아닌 Main Memory에서 읽는 것이다.

또한 변수의 값을 Write할 때마다 Main Memory에 작성하는 것이다.

volatile 변수를 사용하고 있지 않은 MultiThread 애플리케이션은 작업을 수행하는 동안 성능 향상을 위해서 Main Memory에서 읽은 변수를 CPU Cache에 저장하게 된다. 만약 Multi Thread 환경에서 Thread가 변수 값을 읽어올 때 각각의 CPU Cache에 저장된 값이 다르기 때문에 변수 값 불일치 문제가 발생하게 된다.

Lock과 Condition을 이용한 동기화

오래 기다린 쓰레드가 notify()로 인해 락을 얻는다는 보장은 없다. wait()가 호출되면 실행 중이던 쓰레드는 해당 객체의 대기실 (waiting pool)에서 통지를 기다린다. notify()가 호출되면 해당 객체의 대기실에 있는 모든 쓰레드 중에서 임의의 쓰레드만 통지를 받는다. notifyAll()을 해서 모든 쓰레드에게 통보를 해도 lock을 얻는것은 하나의 쓰레드뿐이기 때문에 다른 쓰레드들은 계속해서 lock을 기다려야 한다. 이처럼 lock을 얻지 못하고 오랫동안 기다리게 되는 현상을 기아현상 (starvation)이라고 한다. 여러 쓰레드가 lock을 얻기 위해 경쟁하는 것은 경쟁 상태 (race confition)이라고 한다.

데드락 (교착상태, DeadLock)

2개 이상의 프로세스가 다른 프로세스의 작업이 끝나기만 기다리며 작업을 더 이상 진행하지 못하는 상태를 교착 상태 (dead lock)이라고 한다.

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

교착 상태가 발생하는 원인

교착 상태가 발생하기 위해서는 아래의 4가지 조건을 만족해야 한다. 이 4가지 조건을 교착 상태의 필요조건 이라고 한다.

상호 배제

자원을 공유하지 못하면 교착 상태가 발생한다. 여기서 자원은 배타적인 자원이어야 한다. 배타적인 자원은 임계구역에서 보호되기 때문에 다른 쓰레드가 동시에 사용할 수 없다. 비선점

자원을 빼앗을 수 없으면 자원을 놓을 때까지 기다려야 하므로 교착상태가 발생한다. 점유와 대기

자원 하나를 잡은 상태에서 다른 자원을 기다리면 교착 상태가 발생한다. 원형 대기

자원을 요구하는 방향을 원을 이루면 양보를 하지 않기 때문에 교착상태가 발생한다.

교착 상태 해결방법

교착 상태 예방

교착 상태는 상호 배제, 비선점, 점유와 대기, 원형 대기 라는 4가지 조건을 동시에 충족해야 발생하기 때문에 이 중 하나라도 막는다면 교착 상태는 발생하지 않는다.

교착 상태 회피

자원 할당량을 조절하여 교착 상태를 해결하는 방식이다. 자원을 할당하다가 교착 상태를 유발할 가능성이 있다고 판단하면 자원 할당을 중단하고 지켜보는 것이다.

교착 상태 검출과 회복

교착 상태 검출은 어떤 제약을 가하지 않고 자원 할당 그래프를 모니터링 하면서 교착 상태가 발생하는지 살펴보는 방식이다. 교착 상태가 발생하면 교착 상태 회복 단계가 진행된다.

교착상태를 검출한 후 이를 회복시키는 것은 결론적으로 교착 상태를 해결하는 현실적인 접근 방법이다.

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[1. 멀티스레드 프로그래밍 소개] 02. 프로세스와 스레드

*이 글의 내용은 한국산업기술대학교 게임공학부 정내훈 교수님의 수업을 듣고 정리한 내용입니다.

1. 프로세스와 스레드

프로세스는 초기에 하나의 시작 스레드를 가진다

스레드는 다른 스레드를 만들 수 있다

스레드 생성은 프로그래머가 지시한다

모든 스레드는 자신 고유의 스택을 가지고 있고, Data, Heap, Code 영역은 공유한다.

스레드는 CPU에서 하드웨어적으로 관리된다 (x86)

?? 옆 스레드의 stack은 접근 불가인가?? – 가능하지만 하지 않는다.

옛날에는 스레드란 개념이 없고 프로세스라는 개념만 있었다. 마치 옛날 수학 시간엔 1,2,3,4만 자연수였는데 요즘은 0까지 포함되는 것과 같다. 초반엔 스레드 없이 모든 것을 다 설명했다. 프로세스에는 스레드 하나씩 있다고 하는 게 좀 더 일관성이 있다. 프로세스는 스레드를 가지고 있다. 그러니까 스레드는 프로세스의 부분집합이다. 프로세스는 스레드 하고 다른 면목들이 모여서 프로세스를 이룬다.

컴퓨터를 실행할 때 컴퓨터를 켜놓고 보면 작업관리자에 프로세스가 많이 생기는 것을 알 수 있다. 이 프로세스는 누가 만든 것일까? 프로세스가 만든 것이다. 어떤 실행되는 프로세스는 다른 프로세스가 CreateProcess같은 시스템 콜로 프로세스를 만든 것이다. 스레드도 마찬가지로 스레드가 여러 개 있는 게 멀티스레드인데, 그 스레드는 또 다른 스레드가 만든다. 맨 처음 태초에 하나의 스레드는 디폴트로 생기는 것이고, 다른 스레드는 CreateThread로 생기는 것이다. 즉, 이 함수를 9번 호출하면 스레드는 10개인 것이다.

착각하는 사람이 많은데, 실행파일이 있으면 그 실행파일 안에 이 파일은 4개의 스레드로 운영된다고 속성을 넣어 놓는 것이 아니다. 운영체제는 스레드가 몇 개 생길지 모른다. 실행해봐야 안다. 함수로 스레드를 만들 때만 생기기 때문이다.

스레드가 스레드를 만들면 무슨 일이 있을까? 이런 일이 있다. 시작 스레드, 즉 부모 스레드가 실행이 되고 코드 데이터 힙 스택이 사용된다. 처음 실행되는 하나의 스레드는 프로세스와 같다. 그런데 실행을 하면서 스레드 생성이라는 시스템 콜을 코드에서 호출하면 자식이 생기고, 또 호출하면 자식이 생긴다. 이랬을 때 자식 스레드는 어떤 환경에서 실행되느냐? 스택은 별도로 생성이 된다. 따로따로 스레드마다. 그런데 코드, 데이터, 힙은 애매하다. 똑같은 메모리를 같이 쓰게 된다. 그 이야기는 부모스레드가 실행하는 프로그램과 자식 스레드가 실행하는 프로그램은 같은 프로그램이다. 코드를 복사해서 놓고 쓰는 것이 아니라, 그냥 한 장소에 있는 것을 자식과 부모가 같이 쓰는 것이다. 그래서 자식 스레드의 코드, 데이터, 힙은 실체가 없고 모두가 공유하여 같이 쓰는 것이다.

가상메모리 공간이면 원래 공유 영역에 코드, 데이터, 힙이 있다. 스레드를 만들면 자식의 스택만 새로 생기고 다른 건 공유를 해서 같이 돌아간다. 이게 스레드의 특징이다. 프로세스는 부모랑 완전히 독립되어서 분리되는데 스레드는 아니다.

스레드는 CPU에서 하드웨어적으로 관리되는데 CPU안에 자료구조가 있다. 사실 CPU 안은 아니고 메모리 안에. 부모 스레드가 실행하고 데이터에 전역 변수 내용을 고친 뒤, 자식이 데이터를 읽으면 바뀐 값이 읽힌다. 모든 스레드가 마찬가지. 굳이 바꾼 다음에 ‘나 바뀌었어’ 하고 알려주는 것이 아니다. 복사하는 것이 아니기 때문이다. 그러나 스택은 안 바뀐다. 지역변수의 수정은 반영되지 않는다는 뜻이다.

스레드 사이에 데이터를 주고받아야 한다. 그러려면 어떡해야 하는가? 메모리를 통해서 서로 데이터를 쓰고 읽고 해야한다. 데이터를 읽고 ‘그렇다면 나의 값은 이것이다’ 하고 데이터를 쓰고 읽고 주고받고… 이것이 전역 변수 데이터 영역이다.

스택은 무엇인가? 학생 때 부모님과 함께 산다고 잠까지 같이 자지는 않는다. 독립된 방에서 잤다. 스레드도 마찬가지이다. 모두 공유되면 똑같은 일밖에 할 수 없다. 공유가 되긴 하는데 똑같은 일을 하게된다면 의미가 없다. 그래서 개인작업공간을 분리시킨 것이 스택이다. 지역변수는 서로 볼 수 없고 수정할 수 없다. 그러나 전역변수는 공유할 수 있다.

더 자세히 들어가면, 데이터 영역에 특별한 키워드를 쓰면 독립적으로 쓸 수 있다. 그러나 스택은 공유 그런 것이 없는데 억지로 자식의 방에 들어가서 컴퓨터를 살펴보겠다고 한다면 할 수는 있다. 그러나 좋은 일이 아니다. 사람들 사이에서는 관계가 틀어지고 프로그램 사이에는 버그가 나기 쉽다.

2. 프로세스에 대한 스레드의 장점과 단점

장점 생성 Overhead가 적다 Context Switch Overhead가 적다 ( Virtual memory (TBL교체 오버헤드)) Thread 간의 통신이 간단하다.

단점 하나의 스레드에서 발생한 문제가 전체 프로세스를 멈추게 한다 디버깅이 어렵다

프로세스는 할 수 없고 스레드만 할 수 있는 것이 있는가? 있다고 할 수 있지만, 절대 그런 것은 아니다. 절대 스레드만 할 수 있고, 절대 프로세스는 할 수 없다 이런 것은 없다. 스레드가 할 수 있는 것은 프로세스도 할 수 있고, 프로세스가 할 수 있는 것은 스레드도 다 할 수 있다.

그럼 다 멀티프로세스로 해서 성능을 올리지 왜 멀티스레드를 쓰는가?

이런 장점이 있다. 첫번째로 생성 오버헤드가 적다. 스레드를 만들 때 시스템 콜을 해야 하는 데 걸리는 시간이 프로세스보다 적다. 금방 만들 수 있다. 오버헤드는 자원, 즉 메모리를 줘야 한다. 메모리를 할당시켜줘야 하고 파일 i/o자원도 할당을 해주어야 한다. 왜냐하면 printf scanf 하는 것도 자원이기 때문이다.

그러나 스레드는 그렇지 않다. 같은 집에서 살기 때문에 새 집, 즉 메모리를 줄 필요가 없다. 그래서 오버헤드가 적다.

둘째로 스레드와 스레드 간의 context switch가 가볍다. 빠르다는 이야기이다. 왜? virtual memory이기 때문이다. 가상 메모리 맵핑을 딱딱 바꾸어야 한다. 그러나 스레드는 그럴 필요가 없다. 스레드는 가상 메모리 맵핑 그대로 공유하니까 교체하지 않고 그대로 실행하면 된다. 교체 오버헤드도 적고, 스위치를 하면 실행되는 프로세스가 다른 프로세스를 실행하니까 전에 프로세스가 사용하는 것은 완전히 다른 메모리이다. 이럴 경우 캐시 미스(Cache Miss)가 난다. 여태까지 사용한 데이터는 날아가고 새로 해서 캐시 미스가 계속 난다. 그런데 멀티스레드를 하면 캐시 미스가 덜 일어난다. 그래서 스위치 오버헤드가 적다.

셋째로 가장 큰 이유는 스레드간 통신이 간단하다. 얼마나 간단한가?

다른 스레드간 통신을 하고 싶다 그러면 IPC(Inter Process Communication)이 된다. 프로그래밍 언어에는 없고 운영체제마다 다 다른 API를 제공한다. 윈도우는 윈도우에 있는 IPC를 써야 하고, 리눅스는 리눅스에 있는 IPC를 써야 한다. 프로세스끼리 데이터를 주고받고 싶으면 소켓을 만들어서 소켓 IPC를 해야 한다. 그러면 같은 컴퓨터에 프로세스가 있지 않아도 된다. 다른 컴퓨터에 있는 프로세스끼리도 통신할 수 있다. 그런 엄청난 장점이 있지만, 오버헤드가 크고 느리다.

그렇다면 스레드 통신은 어떻게 하냐? 통신이 아니다. 스레드A가 스레드 B에게 3이라는 데이터를 보내고 싶으면 A는 3을 보낸다. 그럼 A에선 num = 3; 그리고 B에서는 cout << num; 하면 받을 수 있다. 여러 세팅이 필요한 것이 아니다. 그러나 단점도 있다. 첫번째로 멀티 프로세스로 했을 때 한 프로세스가 죽으면 다른 프로세스들이 다 죽지 않는다. 그리고 프로세스가 실행될 때 그 옆 프로세스가 죽으면 다시 깨우고 연결해서 실행하면 된다. 그러나 스레드는 그렇지 않다. 스레드가 실행되다 죽는다면? 그러면 스레드 전체가 죽는다. 어떤 스레드에서라도 크러쉬가 나서 종료한다고 하면 전체 스레드가 죽는 것이다. 다시 살릴 방법이 없다. 문제가 발생했을 때 파급효과 페널티가 치명적이다. 이것이 단점이다. 두 번째 단점은 디버깅이 어렵다는 점이다. 왜 어려울까? 프로그램은 하나인데 이 안에서 프로그램 안에 여러 군데가 동시에 실행되고 있기 때문에, 에러가 나면 이 위에서 무슨 일이 벌어졌나 살펴보게 된다. 그런데 그게 불가능하다. 왜냐하면 내가 온 길은 보이지만, 옆에 스레드가 어디를 실행하고 있는지 보이지 않는다. 억지로 볼 수는 있겠지만 명령어가 어떤 순서로 일어나는지 알 수 없다. A에 3이 들어가며 안되는데 들어갔다? 그럼 누가 3을 넣었는지 알 수가 없다. 이게 제일 큰 단점이다. 이것만 아니라면 멀티스레드가 널리 퍼져서 C나 C++ 배울 때 쓰라고 했을 텐데 그러지 못하는 이유는 디버깅이 너무 어렵기 때문이다.

초보 탈출 #2 – 멀티 스레드 프로그래밍 1

# 초보 탈출 #2 – 멀티 스레드 프로그래밍 1

# 핵심 강의

# 강의 개요

멀티 스레드가 필요한 가장 큰 이유는 프로그램의 실행 효율을 높이기 위해서입니다. 그러나, 스레드를 이용하면 코드가 복잡해지고 디버깅하기가 까다로워 집니다. 그리고 오히려 성능을 해치는 경우도 발생합니다. 이 강의에서는 기초적인 스레드 사용의 패턴을 통해서 효과적으로 스레드를 사용할 수 있는 방법들을 알아봅니다.

제가 생각하는 중급으로 넘어가기 위한 장벽들입니다. 기초 알고리즘

OOP

멀티 스레드 (비동기 프로세스)

포인터

함수 호출의 구조 (재귀 프로세스 등)

# 강의 전 준비 사항

Visual Studio 2015 Update 3 또는 이후 버전

git

https://github.com/ryujt/multi-thread-exapmle (opens new window) 예제 다운로드

# 이 강의에서 다룰 내용

이 강의에서는 이미 만들어진 라이브러리를 활용하여 구체적인 구현보다는 논리적인 개념을 파악하는데 집중하겠습니다.

스레드 프로그래밍의 기초

스레드를 사용하는 패턴들

TIP 보편적인 방법을 사용하지 않고 제가 미리 만든 라이브러리를 이용한 이유가 있습니다. 초보자분들에게 멀티 스레드를 강의할 때마다 초기에 미리 알아야할 정보들이 너무 많아서 호기심을 잃기도 하고, 전체의 내용을 이해하는데 방해가 되는 경우가 있었습니다. 그래서 미리 만든 라이브러리를 방편(方便)으로 삼아서 단계적으로 이해를 이끌어 내려고 합니다.

# 스레드 프로그래밍의 기초

스레드는 일종의 분신술입니다. 프로그램이 실행되면 OS로부터 프로세스가 생성됩니다. 이는 마치 OS가 분신을 만들어서 자신은 원래 하던 일을 계속하고, 새로 만들어진 분신이 프로그램의 내용을 읽고 그대로 임무를 수행하는 것과 같습니다.

그런데 그 분신인 프로세스마저 임무가 복잡해서 분신술이 필요할 수 있습니다. 이렇게 프로세스가 새로 만든 분신을 스레드(thread)라고 할 수 있습니다.

TIP 위의 설명은 상당히 단순한 관점에서의 표현입니다. 프로세스와 스레드의 정확한 차이와 이해가 필요하신 분들은 추가로 검색해보시길 권합니다.

# 스레드의 장점

동시에 처리해야 할 일이 있을 때

CPU 성능을 최대한 활용 할 수 있음

프로세스보다 빠르고 적은 비용

대기시간 및 응답시간 최소화

독립 실행되는 모듈을 만들어서 시스템을 단순하게 만들 수 있다

# 스레드의 단점

코드의 난이도 증가

에러의 위험성 증가 및 디버깅이 어려워진다.

멀티 스레드 프로그램을 하다보면 각기 다른 스레드 들이 동시에 특정 자원을 사용하려고 하는 순간이 발생합니다.

아래와 같은 단순한 예를 들어보겠습니다. Thread 1은 data 값을 0부터 1씩 더해가며 작업 중입니다. 그런데 중간에 Thread 2가 data 값을 0으로 변경하였습니다. Thread 1은 data의 값이 3이 될 것을 기대하고 작업하고 있는데, 전혀 엉뚱한 값이 들어가서 논리적으로 결함이 발생합니다.

가장 심각한 상황 중에 하나는 특정 스레드가 할당 받은 메모리 공간에서 작업하고 있는 동안, 다른 스레드가 메모리 할당을 해제하는 경우입니다. 이것은 마치 의자가 있는 것을 확인하고 앉으려는 순간 장난 꾸러기 친구가 의자를 치워버린 경우와 같습니다.

프로그래밍에서는 이런 경우를 A.V.에러(Access Violation error)라고 합니다.

이렇게 여러 개의 스레드가 같은 자원을 공유하면서 발생하는 문제들은 임계영역을 사용하여 해결할 수 있습니다. 임계영역은 일종의 신호등이며 자물쇠의 역활을 합니다. 그래서 임계영역을 락(lock)이라고도 부릅니다. 어떤 자원을 사용할 때, 사용중인 스레드가 락을 걸어서 다른 스레드는 접근할 수 없도록 하는 것입니다. 자원 사용을 마친 스레드가 락을 풀어주면 다른 스레드가 다시 락을 걸어서 사용하게 됩니다.

임계영역을 사용하면 자신이 락을 걸고 데이터를 사용하는 동안은 다른 스레드에 의해서 데이터가 오염되는 것을 방지 할 수 있습니다.

하지만, 임계영역을 사용하면 복수의 스레드가 한정된 자원으로 인해서 대기하는 시간이 길어지면서 단일 스레드보다 효율이 떨어지는 병목현상이 발생하기도 합니다. 어떤 조건에서는 서로 락을 걸고 풀어주지 않아서 시스템이 멈출 수도 있습니다. 이런 경우는 데드락(Deadlock)이라고 합니다. 그래서 락을 사용하는 경우에는 스레드를 효율적으로 사용하기 위해 다양한 해법이 필요합니다.

SimpleThread 클래스는 제가 자주 사용하는 기능들을 포함시킨 스레드 래핑(Wrapping) 클래스입니다. 소스는 https://github.com/ryujt/multi-thread-exapmle (opens new window)에서 다운받을 수 있습니다.

# 동시에 두 가지 일을 하기

# include # include int main ( ) { SimpleThread thread ( [ & ] ( SimpleThread * simple_thread ) { while ( true ) { printf ( “Hello from thread.

” ) ; simple_thread -> sleep ( 1000 ) ; } } ) ; while ( true ) { printf ( “Hello from main.

” ) ; Sleep ( 1000 ) ; } } 1

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2: SimpleThread를 가져와서 스레드를 쉽게 처리할 수 있도록 합니다.

6-11: SimpleThread 객체를 생성하고 스레드로 실행할 코드를 7-10에 구현하였습니다. 7: 스레드가 중단되지 않고 계속 실행하도록 무한 반복합니다. 8: 스레드가 동작 중임을 표시하기 위해서 콘솔에 메시지를 출력합니다. 9: 1초(1000ms) 동안 기다립니다. 15: 라인처럼 Sleep(1000)을 사용해도 됩니다. 차이점은 simple_thread->sleep(1000)은 기다리는 도중에도 외부에서 신호를 줘서 깨울 수가 있습니다.

13-16: 프로그램이 종료되지 않도록 무한 반복하면서 기다립니다. 프로그램이 종료되면 스레드가 돌고 있는 상황에서도 프로그램이 종료되면서 스레드도 종료됩니다. 14: 메인 스레드가 동작 중임을 표시하기 위해서 콘솔에 메시지를 출력합니다. 15: 1초 기다립니다.

아래는 실행결과입니다. Sleep() 함수의 오차로 인해서 순서가 뒤바뀔 수 있다는 점을 유의하세요.

# 일을 줄 때까지 기다리기

“동시에 두 가지 일을 하기”처럼 항상 동작하는 스레드가 필요한 경우도 있겠지만, 일이 없을 때는 CPU를 사용하지 않고 조용히 쉬게 하고 싶을 때가 있습니다. 이 때 사용할 수 있는 방법은 아래와 같습니다. 외부에서 메시지를 보내서 깨우기 전에는 동면을 하듯이 자고 있다가 메시지를 받았을 때만 일어나서 일을 하는 경우입니다.

# include # include # include using namespace std ; int main ( ) { SimpleThread thread ( [ & ] ( SimpleThread * simple_thread ) { while ( true ) { simple_thread -> sleepTight ( ) ; printf ( “Hello?

” ) ; } } ) ; while ( true ) { string line ; printf ( “Command: ” ) ; getline ( cin , line ) ; if ( line == “q” ) break ; thread . wakeUp ( ) ; } } 1

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1: 문자열을 다루기 위해서 추가하였습니다.

11: sleepTight() 메소드는 스레드를 완전히 멈추가 메시지를 기다립니다. 따라서 12: 라인에 있는 prinft() 함수가 실행되지 않습니다.

17-19: 화면에 “Command: “를 표시하고 문자열을 입력받기를 기다립니다. 엔터가 쳐지면 입력된 문자열을 line 변수에 저장합니다.

21: 입력된 문자가 “q”라면 반복을 중단하고 프로그램을 종료합니다.

23: 그 이외의 문자라면 스레드를 깨웁니다.

# SimpleThread를 종료하는 세 가지 방법

SimpleThread를 종료하기 위해서는 아래의 세 가지 방법 중에 하나를 선택하시면 됩니다.

terminate(): isTerminated()가 true가 되도록 합니다. 스레드가 종료되는 과정까지 기다리지 않고 종료하라고 메시지만 전달한 경우입니다.

terminateAndWait(): isTerminated()가 true가 되며, 스레드를 깨우고 종료 될 때까지 기다립니다.

terminateNow(): isTerminated()가 true가 되며, 스레드를 바로 종료합니다. 실행하자마자 스레드가 바로 중단됩니다.

# include # include # include using namespace std ; int main ( ) { SimpleThread thread ( [ & ] ( SimpleThread * simple_thread ) { while ( simple_thread -> isTerminated ( ) == false ) { simple_thread -> sleepTight ( ) ; printf ( “Hello?

” ) ; } printf ( “thread is stopped.

” ) ; } ) ; while ( true ) { string line ; printf ( “Command: ” ) ; getline ( cin , line ) ; if ( line == “q” ) break ; if ( line == “t” ) thread . wakeUp ( ) ; if ( line == “t” ) { thread . terminate ( ) ; break ; } if ( line == “tw” ) { thread . terminateAndWait ( ) ; break ; } if ( line == “tn” ) { thread . terminateNow ( ) ; break ; } } printf ( “programm is about to close.

” ) ; } 1

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10: 무한 반복이 아닌 simple_thread->isTerminated()가 true 일 때까지만 반복하는 것으로 바뀌었습니다.

# terminate()로 종료했을 때

terminate() 메소드는 블록킹을 하지 않기 때문에 바로 리턴이 되면서 “”programm is about to close.”이 콘솔에 바로 찍히게 됩니다. 그리고 프로그램이 먼저 종료되면서 “thread is stopped.”는 화면에 나타나지 않은 것을 확인할 수가 있습니다.

# terminateAndWait()로 종료했을 때

스레드 내부의 코드가 모두 동작하는 것을 기다렸기 때문에 “programm is about to close.” 이전에 스레드에서 출력한 모든 메시지가 콘솔에 표시된 것을 확인할 수가 있습니다.

# terminateNow()로 종료했을 때

스레드를 바로 강제 종료하였기 때문에 스레드 쪽에서는 아무런 메시지를 찍어보지 못하고 프로그램 종료 메시지가 표시 된 것을 확인할 수가 있습니다.

terminateNow()는 프로그램이 완전히 종료될 때 주로 사용합니다. 프로그램이 종료될 때에는 스레드가 사용하던 리소스를 반환하거나 정리할 필요 없기 때문입니다.

스레드는 종료 처리가 어려울 때가 많은데요, 프로그램이 종료하면서 사용 중이던 리소스를 이미 반환했는데, 스레드가 늦게 깨어나면서 리소스에 접근하려고하다가 오류가 발생하는 경우가 가끔 일어납니다. 이럴 때는 terminateNow()로 스레드를 바로 종료시켜버리면 프로그램 종료 중에 스레드가 뒤늦게 깨어나서 충돌하는 일을 방지 할 수 있습니다.

Producer-consumer pattern(생산자-소비자 패턴)은 스레드를 사용하는 가장 흔한 케이스 중 하나입니다. 생산자가 일거리를 만들면 소비자가 일을 가져와서 처리하는 것입니다.

식당에서 손님의 주문을 받아서 주문서 철에 하나씩 추가하는 과정을 예로 들겠습니다. 이때 주문을 받아서 철에 추가하는 사람은 생산자에 해당합니다.

주방에서 요리사가 철에 쌓여져 있는 주문서 중에서 하나를 가져가서 주문서대로 요리를 만들게 됩니다. 이때 요리사는 소비자에 해당합니다.

생산자: 일을 만드는 넘

소비자: 일을 가져가는 넘

일을 가져가서 처리하는 소비자 스레드가 아직 일을 마무리하지 않았는데, 생산자가 일을 더 주려고하면 어떻게 될까요? 일이 꼬이거나 아니면 생산자는 소비자가 일을 마칠 때까지 다른 일은 못하고 계속 기다려야 할 것입니다. 그래서 일거리를 쌓아 둘 수 있는 큐를 만들고 생산자는 큐에 일을 추가하고, 소비자는 일을 가져가서 처리합니다.

생산자-소비자 패턴은 아래의 다이어그램처럼 간단한 구조를 가지고 있습니다.

Producer는 처리해야 할 일(task)이 발생하면 queue에 쌓아(push) 둡니다.

Consumer는 queue에서 일을 가져와서(pop) 처리합니다.

처리할 일이 없을(nil) 때는 무시하고 일이 발견될 때까지 반복합니다.

만약 여러분들이 온라인 게임을 만든다고 가정하겠습니다. 전투 중에 얻은 아이템이나 경험치들을 DB에 저장해둬야 합니다. 그런데 DB에 저장하는 속도는 너무 느리기 때문에 게임 로직을 처리하는 스레드에서 직접 처리하면, 저장하는 동안 게임이 멈추는 등의 현상이 발생하게 됩니다. 이때 게임 로직을 처리하는 스레드는 DB에 저장할 정보를 queue에만 쌓아두고 제 할일을 계속 하고, DB 저장용 스레드가 백그라운드로 처리해준다면 DB 저장 속도 때문에 게임이 멈추는 일은 없을 것 입니다.

TIP 생산자도 소비자도 여러 개(스레드)일 수 있습니다.

ThreadQueue의 메소드들은 락을 사용하여 여러 개의 스레드가 동시에 접근해도 순차적으로 진행되도록 구현되어 있습니다.

# include # include # include # include using namespace std ; int main ( ) { ThreadQueue < string > que ; SimpleThread producer ( [ & ] ( SimpleThread * simple_thread ) { while ( simple_thread -> isTerminated ( ) == false ) { que . push ( “task” ) ; printf ( “task has produced.

” ) ; simple_thread -> sleep ( 1000 ) ; } } ) ; SimpleThread consumer ( [ & ] ( SimpleThread * simple_thread ) { while ( simple_thread -> isTerminated ( ) == false ) { string item = “” ; if ( que . pop ( item ) ) { item = item + ” –> used ” ; printf ( “%s

” , item . c_str ( ) ) ; } else { simple_thread -> sleep ( 1 ) ; } } } ) ; while ( true ) { Sleep ( 1000 ) ; } } 1

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처리해야할 일(task)을 저장해 둘 큐(ThreadQueue) 클래스가 정의된 헤더입니다. 멀티 스레드에서 사용할 수 있도록 설계되어 있습니다.

12-18: 생산자 스레드를 생성하고 1초마다 “task”를 만들어서 큐에 저장합니다. 14: “task” 문자열을 큐에 넣습니다. 이것을 처리해야 할 일이라고 가정하겠습니다. 15: 콘솔에 작업이 추가되었음을 표시합니다. 16: 다음 작업을 만들 때까지 1초 기다립니다.

20-30: 소비자 스레드를 생성하고 0.001초마다 일을 가져와서 처리합니다. 0.001초보다 작거나 커도 되지만, 생산자보다 더 긴 간격으로 일을하게되면 일이 점점 밀리게 됩니다. 어떤 때에는 간격없이 바로바로 처리해도 시간이 많이 걸리는 일이어서 밀릴 수도 있습니다. 이런 경우에는 소비자 스레드를 여러 개로 늘려서 처리할 수도 있습니다. 23: 큐에서 일을 하나 가져옵니다. 일이 없으면 pop() 메소드의 결과가 false가 되어 24-25:는 실행되지 않습니다. 24: 가져온 일을 사용(처리)합니다. 여기서는 뒤에 “–> used”를 붙이는 것으로 일이 처리 된 것으로 표현하였습니다. 25: 처리된 일을 콘솔에 표시합니다. 27: 없어도 상관은 없습니다. (기다리지 않고 계속 실행해도 됩니다)

27: 라인은 없어도 되지만 할 일이 없는데도 쉬지 않고 계속 일을 찾다보면 아래 그림의 오른쪽처럼 쓸 때없이 CPU를 많이 사용하게 됩니다.

# Guarded suspension pattern (SuspensionQueue)

생산자-소비자 패턴의 경우에는 일이 없을 때에는 다른 일을 처리할 수는 있겠지만, 큐 안에 쌓인 일만 하는 경우에는 일이 없어도 반복하면서 CPU 자원을 낭비하게됩니다. 그와 달리 Guarded suspension 패턴은 일이 없으면 스레드가 완전히 멈춰서 기다립니다. 다시 일이 들어와서 자신을 깨울 때까지 완전히 멈추게 됩니다.

TIP 다른 일도 하면서 큐에 있 데이터가 있으면 병행해서 처리해야 한다면 ThreadQueue를 사용하고, 큐에 있는 일만 처리하면 될 경우에는 SuspensionQueue 사용하세요.

SuspensionQueue의 메소드들은 락을 사용하여 여러 개의 스레드가 동시에 접근해도 순차적으로 진행되도록 구현되어 있습니다.

# include # include # include # include using namespace std ; int main ( ) { SuspensionQueue < string > que ; SimpleThread producer ( [ & ] ( SimpleThread * simple_thread ) { while ( simple_thread -> isTerminated ( ) == false ) { que . push ( “task” ) ; printf ( “task has produced.

” ) ; simple_thread -> sleep ( 1000 ) ; } } ) ; SimpleThread consumer ( [ & ] ( SimpleThread * simple_thread ) { while ( simple_thread -> isTerminated ( ) == false ) { string item = que . pop ( ) ; item = item + ” –> used ” ; printf ( “%s

” , item . c_str ( ) ) ; } } ) ; while ( true ) { Sleep ( 1000 ) ; } } 1

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코드는 생산자-소비자 패턴과 거의 똑같은 것을 아실 수가 있습니다. 중요한 차이는 22: 라인에 있습니다. SuspensionQueue의 pop() 메소드는 큐 안에 아무것도 없으면 리턴되지 않고 멈춰서게 됩니다. (blocking) 따라서, sleep() 메소드를 사용하지않아도 CPU를 계속 사용하면서 반복하는 일이 없습니다. 또한 큐에서 일을 가져왔는 지 if 문을 사용해서 처리할 필요가 없습니다. 일이 없다면 다음 코드가 실행 될 일이 없기 때문입니다.

Scheduler는 생산자-소비자 패턴과 스레드를 합쳐 놓은 형태입니다. add() 메소드를 이용해서 처리해야 할 일을 추가하면 OnTask 이벤트가 발생합니다. OnTask는 Scheduler 내부 스레드에 의해서 동작하기 때문에 병렬로 처리됩니다. 그리고, 처리할 일이 없어도 OnRepeat 이벤트가 계속 발생하는데요, 주기적으로 처리해야 할이 있는 경우 사용합니다.

아래 코드는 가상으로 동작하는 소켓 프로그램을 예로 들어 본 것 입니다.

start(): Scheduler 내부 스레드에 의해서 작업(task)과 이벤트가 처리가 시작됩니다.

stop(): Scheduler 내부 스레드에 의해서 작업(task)과 이벤트가 중단 됩니다.

add(): 처리해야 할 일을 추가합니다.

OnTask: Scheduler의 add() 메소드에 의해서 작업(task)가 추가되면 동작하는 이벤트입니다. 이벤트 핸들러의 코드는 Scheduler 내부 스레드에 의해서 실행됩니다.

OnRepeat: 계속 반복해서 주기적으로 실행됩니다.

# include # include # include const int TASK_CONNECT = 1 ; const int TASK_DISCONNECT = 2 ; class Address { public : Address ( string ip , int port ) : ip_ ( ip ) , port_ ( port ) { } string ip_ ; int port_ ; } ; int main ( ) { Scheduler scheduler ; scheduler . setOnTask ( [ ] ( int task , const string text , const void * data , int size , int tag ) { switch ( task ) { case TASK_CONNECT : { Address * address = ( Address * ) data ; printf ( “Connect to %s:%d

” , address -> ip_ . c_str ( ) , address -> port_ ) ; delete address ; break ; } case TASK_DISCONNECT : { printf ( “Disconnect

” ) ; break ; } } } ) ; scheduler . setOnRepeat ( [ & ] ( ) { printf ( “수신된 메시지 확인…

” ) ; scheduler . sleep ( 1000 ) ; } ) ; scheduler . start ( ) ; while ( true ) { string line ; printf ( “Command: ” ) ; getline ( cin , line ) ; if ( line == “c” ) scheduler . add ( TASK_CONNECT , new Address ( “127.0.0.1” , 1234 ) ) ; if ( line == “d” ) scheduler . add ( TASK_DISCONNECT ) ; } } 1

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47: 소켓을 접속하라는 작업을 추가합니다. 그러면 바로 setOnTask에 정의된 이벤트 핸들러의 코드가 스레드에서 실행됩니다. add(int task, void* data)

48: 소켓 접속을 종료하라는 작업을 추가합니다. 추가 정보가 필요없을 때에는 작업 내용만 추가하면 됩니다. add(int task)

21-35: 작업이 추가되었을 때 실행되는 코드입니다. task_type 종류에 따라서 각각의 의미에 맞는 코드를 실행하면 됩니다. 24: 라인에서는 data 파라메터에 전달된 주소 객체를 타입 변환을 하여 사용하고 있습니다.

36-39: 무한 반복되는 코드입니다.

add() 메소드의 파라메터 void add ( int task ) void add ( int task , string text ) void add ( int task , void * data ) void add ( int task , string text , void * data , int size , int tag ) 1

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Worker 클래스는 Scheduler 클래스와 비슷합니다. 차이점은 OnRepeat 이벤트가 없다는 점입니다. Worker는 일을 주지 않을 때는 내부 스레드가 완전하게 멈춰있게 됩니다. Guarded suspension 패턴에 필요한 요소를 하나의 클래스 안에 담아둔 형태입니다.

게임 서버가 동작하는 중에 DB에 데이터를 저장해야하는 작업이 있다고 가정하겠습니다. 그때 저장해야할 데이터를 json 문자열로 Worker에 add() 해주고, OnTask 이벤트에서 DB 저장 코드를 넣어주면 비동기로 DB를 저장하는 코드를 쉽게 작성할 수 있습니다.

# include # include # include int main ( ) { Worker worker ; worker . setOnTask ( [ ] ( int tast , const string text , const void * data , int size , int tag ) { printf ( “OnTask: %s

” , text . c_str ( ) ) ; } ) ; while ( true ) { string line ; printf ( “Command: ” ) ; getline ( cin , line ) ; worker . add ( line ) ; } } 1

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스레드로 실행되는 코드에서 printf()를 함께 사용하기 때문에 이전 예제처럼 문자열은 서로 겹쳐서 표시되는 경우가 많습니다.

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