[F-lab 페이백 모각코 66일차] Java 스레드와 Java 스레드 생명주기

Java 스레드와 Java 스레드 생명주기

Java 스레드와 Java 스레드 생명주기

1. Java 스레드란?

스레드(Thread)는 프로그램 내에서 실행되는 흐름의 단위입니다. 하나의 프로세스 안에서 여러 개의 스레드를 생성해 병렬로 작업을 수행할 수 있습니다. Java에서는 java.lang.Thread 클래스와 java.lang.Runnable 인터페이스를 통해 스레드를 생성하고 관리할 수 있습니다.

2. Java 스레드의 생명 주기 (Life Cycle)

Java 스레드의 생명 주기는 다음과 같은 여러 단계로 나뉩니다:

1. 새로 생성됨 (New): 스레드 객체가 생성되었지만 아직 start() 메서드가 호출되지 않은 상태입니다.
2. 실행 가능 (Runnable): 스레드가 실행될 준비가 되어 있거나 현재 실행 중인 상태입니다. 여기서 스레드는 CPU 스케줄러에 의해 CPU 할당을 기다리고 있거나 현재 CPU를 점유하고 실행 중일 수 있습니다.
3. 대기 (Blocked): 스레드가 특정 작업의 완료나 리소스의 사용 가능을 기다리는 중입니다. 예를 들어, 다른 스레드가 보유한 객체의 락을 기다리는 상태입니다.
4. 대기/시간 제한 (Waiting/Time Waiting): 스레드가 다른 스레드의 특정 동작을 기다리고 있습니다. 예를 들어, Thread.sleep(), object.wait(), thread.join() 등의 메서드 호출로 인해 발생합니다.
5. 종료 (Terminated): 스레드의 run() 메서드의 실행이 완료되었거나, 예외로 인해 비정상 종료된 상태입니다.

Java 스레드의 생명 주기를 관리하는 메서드들:

• start(): 스레드를 시작하며, 스레드의 상태를 새로 생성됨에서 실행 가능 상태로 변경합니다.
• run(): 스레드가 수행할 작업을 정의합니다. 이 메서드를 직접 호출하면 다중 스레드 환경이 아닌 현재 스레드에서 실행됩니다.
• sleep(): 주어진 시간 동안 현재 스레드를 일시 중지시킵니다.
• join(): 특정 스레드의 작업이 완료될 때까지 현재 스레드를 대기 상태로 만듭니다.
• wait(): 객체의 락에 대한 스레드의 대기 상태를 만듭니다.
• notify(), notifyAll(): 대기 상태에 있는 스레드들을 깨워 실행 가능 상태로 만듭니다.

이렇게 Java에서는 스레드와 관련된 다양한 메서드와 생명 주기를 통해 병렬 프로그래밍을 지원합니다. 이를 잘 활용하면 여러 작업을 효율적으로 동시에 처리할 수 있습니다.

JAVA 스레드와 CPU 스레드

1. 자바 스레드 (Java Thread)
   • 자바 어플리케이션 내에서 실행되는 단일 작업 흐름의 단위입니다.
   • 자바 가상 머신(JVM) 내에서 관리됩니다.
   • java.lang.Thread 클래스를 통해 생성 및 관리할 수 있습니다.
2. CPU 스레드 (Hardware Thread)
   • CPU 또는 하드웨어 레벨에서 실행되는 작업의 단위입니다.
   • 하나의 CPU 코어는 동시에 여러 스레드를 실행할 수 있는 멀티스레딩 기능을 가질 수 있습니다.
   • 이러한 스레드는 OS나 하드웨어에 의해 관리되며, 직접적으로 개발자가 제어할 수 없습니다.

간단히 말하면, 자바 스레드는 소프트웨어 레벨에서의 스레드이고, CPU 스레드는 하드웨어 레벨에서의 스레드입니다. 자바 스레드는 OS 스케줄러에 의해 CPU 스레드에 할당되어 실행됩니다.

자바 스레드는 CPU스레드 안에서 실행된다

자바 스레드는 JVM에서 관리되는 가상의 실행 단위입니다. 실제 실행될 때는 운영체제의 스케줄링에 따라 CPU 스레드에 할당되어 실행됩니다.

즉, 자바 스레드가 실행되기 위해서는 결국 하드웨어 레벨의 CPU 스레드에 의해 실제로 실행되어야 합니다. JVM은 이런 자바 스레드를 OS 수준의 스레드에 매핑하여 실행시킵니다.

Java 스레드의 생명 주기의 중요성

Java 스레드의 생명 주기를 이해하는 것은 여러 가지 이유로 중요합니다:

1. 자원 효율성: 스레드의 생명 주기를 이해하면, 스레드 생성과 종료, 그리고 스레드 간의 동기화에 따른 오버헤드를 최소화할 수 있습니다. 불필요한 스레드 생성은 시스템의 성능을 저하시킬 수 있습니다.
2. 데드락 회피: 스레드 간의 동기화를 다룰 때, 스레드의 상태와 생명 주기를 잘 이해하고 있어야 데드락(Deadlock) 같은 병렬 처리 문제를 피할 수 있습니다.
3. 코드의 안정성: 스레드 생명 주기를 이해하면, 언제 스레드가 실행될 수 있는지, 언제 대기 상태에 있을지, 언제 종료될지를 예측하고 이에 따라 안정적인 코드를 작성할 수 있습니다.
4. 응답 시간 최적화: 사용자의 요청에 빠르게 응답하기 위해 스레드를 효율적으로 관리해야 합니다. 스레드의 생명 주기를 이해하면, 필요한 작업에 스레드를 적시에 할당하고, 불필요할 때는 빠르게 반환하여 시스템의 응답 시간을 최적화할 수 있습니다.
5. 디버깅: 복잡한 멀티스레딩 환경에서 문제가 발생했을 때, 스레드의 생명 주기를 알고 있으면 문제의 원인을 빠르게 파악하고 해결하는 데 도움이 됩니다.

결론적으로, Java 스레드의 생명 주기를 정확히 이해하고 관리하는 것은 병렬 처리 환경에서 성능, 안정성, 그리고 확장성을 최적화하기 위해 필수적입니다.

프로세스와 스레드

프로세스(Process)

• 프로세스는 실행 중인 프로그램의 인스턴스입니다. 컴퓨터 시스템에서 독립적으로 실행되는 개체로, 자신만의 주소 공간과 메모리를 갖습니다.
• 프로세스 간에는 독립된 메모리 영역을 사용하기 때문에, 하나의 프로세스에서 발생하는 문제가 다른 프로세스에 영향을 주지 않습니다.
• 예를 들면, 하나의 JVM 인스턴스가 실행되면 이는 하나의 프로세스로 간주됩니다.

스레드(Thread)

• 스레드는 프로세스 내에서 실행되는 작업의 단위로, 프로세스의 리소스를 공유하면서 실행됩니다.
• 같은 프로세스 내의 스레드들은 메모리 영역(힙, 메서드 영역 등)을 공유하므로, 스레드 간의 통신이 프로세스 간 통신보다 훨씬 빠르고 효율적입니다.
• 하지만, 하나의 스레드에서 발생하는 문제가 프로세스 내의 다른 스레드에 영향을 줄 수 있기 때문에 동기화와 같은 별도의 관리가 필요합니다.

당신이 말씀하신 "CPU에서 JVM에 연산하라고 할당된 프로세스"는 JVM이 실행될 때 생성되는 프로세스를 의미합니다. JVM은 자바 프로그램을 실행시키는 런타임 환경으로, 해당 환경 내에서 여러 자바 스레드를 동시에 실행시킬 수 있습니다. CPU는 이러한 JVM 프로세스와 다른 프로세스들에게 연산을 수행할 수 있는 시간을 할당하게 됩니다.

CPU, 프로세스, JVM, 그리고 자바 스레드 간의 관계

CPU, 프로세스, JVM, 그리고 자바 스레드 간의 관계는 다소 복잡해 보일 수 있지만, 간단한 개념과 예시로 설명해 드리겠습니다.

1. CPU:
   • 모든 연산의 중심입니다.
   • 여러 프로세스들에게 실행 시간을 할당합니다.
2. 프로세스:
   • 실행 중인 프로그램의 인스턴스입니다.
   • 독립된 메모리 영역과 자원을 가집니다.
   • CPU는 여러 프로세스들에게 실행 시간을 할당합니다.
3. JVM (Java Virtual Machine):
   • 자바 프로그램을 실행하는 데 필요한 런타임 환경을 제공하는 특수한 프로세스입니다.
   • JVM은 하나의 독립적인 프로세스로, OS 상에서 실행됩니다.
   • JVM 내부에는 여러 자바 스레드가 동시에 실행될 수 있습니다.
4. 자바 스레드:
   • JVM 프로세스 내에서 실행되는 개별 작업 단위입니다.
   • 같은 JVM 프로세스 내의 여러 스레드들은 메모리와 자원을 공유합니다.

시각적 설명:

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|              컴퓨터 시스템                   |
|                                             |
|     +--------+       +--------+             |
|     | 프로세스1 |       | 프로세스2 |             |
|     +--------+       +--------+             |
|                                             |
|        +--------------------------------+    |
|        |            JVM 프로세스             |    |
|        |                                  |    |
|        |   +-----+       +-----+       +-----+  |
|        |   | 스레드1 |       | 스레드2 |       | 스레드N |  |
|        |   +-----+       +-----+       +-----+  |
|        |                                  |    |
|        +--------------------------------+    |
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+---------------------------------------------+

위의 구조에서 CPU는 각각의 프로세스 (프로세스1, 프로세스2, JVM 프로세스 등)에게 연산 시간을 할당합니다. JVM 프로세스 내부에서는 다수의 자바 스레드가 동시에 실행될 수 있습니다. 이렇게 JVM 내부에서 동시에 실행되는 스레드들은 JVM의 메모리 영역을 공유합니다.

이 관계를 이해하는 것은 병렬 처리, 자원의 효율적인 관리, 그리고 성능 최적화에 중요한 역할을 합니다.

• 기본적으로 JVM 인스턴스는 하나의 OS 프로세스로 실행됩니다.
  • 이 원리에 의하면 여러개의 JVM 인스턴스를 실행하면 그 수만큼의 여러 개의 OS프로세스가 실행된다.

자바 스레드 생명주기의 수동 관리가 필요한 경우

자바 스레드의 생명주기는 대부분 자동으로 관리되지만, 특정 상황에서 개발자가 수동으로 스레드의 상태를 관리해야 할 필요성이 생길 수 있습니다. 수동으로 스레드를 관리해야 하는 상황은 다음과 같습니다:

1. 리소스 최적화:
   • 시스템의 리소스가 제한적일 때, 스레드의 생성과 종료를 직접 관리하여 리소스를 최적화할 수 있습니다.
2. 특정 타이밍에서의 실행 보장:
   • 스레드가 특정 순서나 타이밍에 실행되도록 보장하려면 직접 제어가 필요할 수 있습니다.
3. 데드락 방지:
   • 여러 스레드가 동시에 리소스에 접근하려 할 때 발생하는 데드락 상황을 피하려면 스레드의 실행 순서나 접근을 조절해야 할 수 있습니다.
4. 특정 상태 반영:
   • 어떤 스레드가 특정 상태(예: 완료, 에러 등)에 도달했을 때 다른 스레드의 동작을 변경하려면 스레드의 상태를 수동으로 체크하고 조절해야 합니다.
5. 스레드 풀 관리:
   • 스레드 풀을 사용하여 여러 작업을 병렬로 처리하려면 스레드의 생명주기를 직접 관리해야 할 수 있습니다. 스레드 풀에서는 재사용 가능한 스레드들을 풀에 유지하고, 필요에 따라 스레드를 생성하거나 종료합니다.

이러한 상황들에서는 Thread 클래스나 Executor 프레임워크와 같은 자바의 도구를 사용하여 스레드의 생명주기를 수동으로 관리할 수 있습니다.

자바 스레드와 데드락 발생 상황

데드락(Deadlock)은 두 개 이상의 스레드가 영원히 진행을 못하는 상태를 의미합니다. 자바에서 스레드 관련하여 데드락이 발생하는 주요 상황은 다음과 같습니다:

1. 상호 배제(Mutual Exclusion):
   • 리소스는 한 번에 하나의 스레드만이 사용할 수 있습니다. 다른 스레드는 그 리소스가 해제될 때까지 기다려야 합니다.
2. 점유 및 대기(Hold and Wait):
   • 스레드는 이미 어떤 리소스를 점유하고 있으면서 다른 리소스를 기다리는 상태입니다. 예를 들어, 스레드 A가 리소스 1을 점유하고 있으면서 리소스 2를 기다리는 동안, 스레드 B는 리소스 2를 점유하고 리소스 1을 기다릴 수 있습니다.
3. 비선점(No Preemption):
   • 한 스레드가 어떤 리소스를 점유하고 있을 때, 다른 스레드가 그 리소스를 선점하거나 강제로 뺏어오는 것이 불가능합니다.
4. 순환 대기(Circular Wait):
   • 두 개 이상의 스레드가 리소스를 기다리는 순환적인 방식으로 대기하고 있습니다. 예를 들면, 스레드 A는 리소스 1을 기다리고, 스레드 B는 리소스 2를 기다리고, 스레드 C는 리소스 3을 기다리는데, 이 세 리소스가 서로 연결되어 순환적인 대기 상태를 만들어냅니다.

이러한 조건들 중에서 2개 이상이 동시에 만족되면 데드락 상태가 발생할 가능성이 높습니다. 데드락을 예방하려면 위의 네 가지 조건 중 적어도 하나를 만족시키지 않도록 설계해야 합니다. 예를 들어, 모든 필요한 리소스를 한 번에 획득하도록 설계하거나, 리소스 획득 순서를 일정하게 하여 순환 대기를 방지하는 방법이 있습니다.