[Java] 스레드 생명주기

출처

ChatGPT

https://www.baeldung.com/java-thread-lifecycle

 

 

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자바의 스레드 생명주기를 왜 알아야 하는가

멀티스레드 프로그래밍을 효과적으로 작성하고 디버깅하는 데 필수적이다.

1. 자원 관리

스레드가 사용하는 시스템 자원을 효율적으로 관리하기 위해 스레드의 상태를 이해하는 것이 중요하다. 예를 들어, 필요하지 않은 스레드가 계속 실행되면 자원 낭비가 발생할 수 있다.

2. 동기화 문제 해결

스레드가 언제 실행되고 언제 멈추는지를 이해하면 동기화 문제를 해결하는 데 도움이 된다. 잘못된 동기화는 데드락이나 레이스 컨디션과 같은 문제를 일으킬 수 있다.

• 데드락 Deadlock : 두 개 이상의 스레드가 서로 상대방의 자원을 기다리며 무한히 대기하는 상태. 이 상태에서는 어떤 스레드고 진행할 수 없으므로 프로그램이 멈추게 된다.
  • 예시
    1. 스레드1이 자원X를 잠금(lock) 상태로 만들고 자원Y를 얻으려 한다
    2. 동시에 스레드2가 자원Y를 잠금 상태로 만들고 자원X를 얻으려 한다
    3. 스레드1은 자원Y가 필요하고,  스레드2는 자원X가 필요하므로 두 스레드는 서로의 자원을 기다리며 무한 대기에 빠진다.
  • 데드락 방지 방법
    • 자원에 대한 고정된 획득 순서를 정하고, 모든 스레드가 동일한 순서로 자원을 획득하게 한다.
    • 타임아웃을 설정해 자원을 획득하지 못하면 포기하고 다른 작업을 시도하게 한다.
• 레이스 컨디션 Race Condition : 두 개 이상의 스레드가 동시에 공유 자원에 접근하면서, 그 결과가 스레드의 실행 순서에 따라 달라질 수 있는 상황을 의미한다. 이로 인해 예상치 못한 결과가 발생할 수 있다.
  • 예시
    • 두 개의 스레드가 같은 변수 count에 동시에 접근해 값을 증가시킨다.
    • 스레드 A와 B가 각각 count 값을 읽고 1을 더한 후, 값을 다시 저장하려고 할 때 스레드 A가 먼저 실행되고, 그 다음 B가 실행된다면, 실제 결과는 의도했던 값보다 적게 나올 수 있다.
  • 레이스 컨디션 방지 방법
    • 동기화 Synchronization : synchronized 키워드나 ReentrantLock을 사용해 공유 자원에 대한 접근을 하나의 스레드만 할 수 있도록 한다.
      • ReentrantLock은 자바에서 스레드 동기화를 위해 제공되는 클래스 중 하나. synchronized 키워드와 비슷하게, 임계 영역을 보호해 여러 스레드가 동시에 공유 자원에 접근하지 못하도록 한다.
    • 원자적 접근 : AtomicInterger와 같은 클래스를 사용해 특정 연산이 분할되지 않고 원자적으로 수행되도록 함.
      • 원자적이란? 특정 연산이 더 이상 나눌 수 없는 단위로 수행된다는 것
      • 원자적 연산의 중요한 특성
        • 중단되지 않음 : 연산이 실행되는 동안 다른 스레드가 개입하거나 연산을 방해할 수 없다. 즉, 연산이 완료될 때까지는 그 상태를 다른 스레드가 읽거나 수정할 수 없다.
        • 일관성 보장 : 원자적 연산은 멀티스레드 환경에서 동시 접근으로 인한 일관성 문제를 방지한다. 예를 들어 여러 스레드가 같은 변수에 접근해 값을 변경할 때, 원자적 연산을 사용하면 예상치 못한 값이 설정되는 일이 없도록 보장한다.

3. 효율적인 스레드 조작

스레드의 생명주기를 이해하면 필요할 때 스레드를 중지하거나 재사용하는 등의 조작을 더 효율적으로 수행할 수 있다. 예를 들어, WAITING, BLOCKED, TERMINATED 상태를 정확히 이해하고 적절히 다루는 것이 중요하다.

4. 디버깅 및 문제 해결

스레드 상태를 이해하면 프로그램의 비정상적이 동작이나 성능 문제를 추적하고 해결하는 데 도움이 된다. 예를 들어, 스레드가 BLOCKED 상태에 오래 머무를 경우 원인을 파악하고 해결해야 할 수 있다.

 

스레드의 생명주기(NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING, TERMINATED)를 잘 이애하면 안정적이고 효율적인 멀티스레드 프로그램을 개발하는 데 유리하다.

 

자바에서 Thread의 생명주기

자바 스레드는 여러 상태를 거치면서 실행되며, 이를 스레드의 생명주기(Thread Lifecycle)라고 한다.

java.lang.Thread는 static State enum으로 이 스레드 상태를 나타낸다. 

1. NEW

• 스레드가 새로 생성되었지만 시작하지 않은 상태
• Thread 객체가 생성되고 start() 메소드가 호출되기 전 상태
• 예 : Thread thread = new Thread(runnable);

2. RUNNABLE

• start() 메소드를 호출하면 실행 가능 상태가 된다.
• 이 상태에서 스레드는 JVM에 의해 스케줄링되어 실제로 실행될 수 있다.

• 스레드 스케줄링
  • 여러 스레드가 동시에 실행 가능한 상황에서 CPU의 시간을 어떻게 나눠서 각 스레드에 할당할지 결정하는 메커니즘. 이 과정은 JVM의 스레드와 관리와 운영체제의 스케줄러에 의해 이루어진다.
  • 운영 체제의 스케줄러는 다음을 고려해 각 스레드를 실행한다
    • 우선순위 Priority : 각 스레드는 우선순위가 있으며, JVM은 이 우선순위를 참조해 상대적으로 높은 우선순위의 스레드를 먼저 실행하려고 한다.
    • 공정성 : 운영 체제의 스케줄러는 가능한 한 모든 스레드가 공정하게 CPU 시간을 사용할 수 있도록 관리한다.
    • 상태 전환 : 스레드가 WAITING, BLOCKED와 같은 상태에서RUNNABLE 상태로 바뀌었을 때, CPU에서 언제 그 세르드를 실행할지도 결정해야 한다.

• RUNNABLE 상태는 운영 체제에 따라 실제 실행 중 또는 실행 대기 중일 수 있다.

3. BLOCKED

• 스레드가 모니터 락을 기다리고 있을 때 이 상태가 된다.

• 모니터 락 Monitor Lock : 자바의 동기화 메커니즘에서 공유 자원에 대한 접근을 제어하기 위해 사용되는 잠금 장치. 자바에서 객체의 동기화 블록이나 동기화 메소드에 접근할 때, 스레드는 그 객체의 모니터 락을 획득해야 한다. 모니터 락을 획득한 그레드만 해당 자원에 접근할 수 있으며, 다른 스레드는 락이 해제될 때가지 기다려야 한다.
  • 동기화 메소드 Synchronized Method : 메서드 전체를 동기화해, 해당 메소드가 실행되는 동안 하나의 스레드만 접근할 수 있도록 하는 방법
  • 동기화 블록 Synchronized Block : 코드의 특정 부분을 동기화하고 싶을 때 사용된다. 전체 메소드를 동기화하는 것보다 더 세밀하게 동기화를 제어할 수 있어, 필요할 때만 자원을 보호함으로써 성능을 향상시킬 수 있다. 

• 예를 들어, 다른 스레드가 이미 synchronized 블록을 점유하고 있는 경우, 해당 자원을 사용할 수 없기 때문에 BLOCKED 상태가 된다.

4. WAITING

• 스레드가 다른 스레드의 작업이 왼료될 때까지 기다릴 때 이 상태가 된다.
• Object.wait(), Thread.join(), LockSupport.park()와 같은 메소드를 호출하면 스레드는 WAITING 상태가 된다.

• LockSupport.park() : 자바에서 스레드를 대기 상태로 전환시키는데 사용된다. 

• WAITING 상태의 스레드는 명시적으로 다시 활성화될 때까지 실행되지 않는다. 예를 들어, notify() 또는 notifyAll()을 호출해 대기 상태의 스레드를 깨울 수 있다.

5. TIMED_WAITING

• 스레드가 일정 시간 동안 대기할 때 이 상태가 된다.
• sleep(long millis), wait(long timeout), join(long millis) 등의 메소드를 호출해 일정 시간이 지난 후 다시 실행 가능하게 된다.
• TIMED_WAITING 상태에서는 지정된 시간이 지나면 자동으로 실행 가능한 상태로 돌아간다. 

6. TERMINATED

• 스레드가 작업을 마치고 종료된 상태
• 스레드의 run() 메소드가 정상적으로 종료되거나 예외가 발생해 종료될 때 이 상태가 된다.
• 이 상태에선느 스레드가 더 이상 실행되지 않으며, 다시 시작할 수 없다.

 

스레드 생명주기 예시

public class ThreadLifeCycleExample extends Thread {
    public void run() {
        System.out.println("Thread is running...");
        try {
            Thread.sleep(1000); // TIMED_WAITING 상태로 이동
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("Thread has finished executing.");
    }

    public static void main(String[] args) {
        ThreadLifeCycleExample thread = new ThreadLifeCycleExample(); // NEW 상태
        thread.start(); // RUNNABLE 상태로 이동

        try {
            thread.join(); // 현재 스레드가 thread의 종료를 기다리므로 WAITING 상태
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Main thread has finished executing.");
    }
}