개발자 유니의 두 번째 뇌

인프런의 부부 개발단 토토님의 즐거운 자바 강의를 정리한 내용

성능 향상시키기

성능이 좋은 프로그램을 만들고 싶다고 하자.

예를 들어, 하나의 프로그램에서 위와 같은 작업이 있다.
B : 병렬화가 가능하지 않은 부분
1 - B : 병렬화가 가능한 부분

병렬화가 가능한 부분을 두 부분에서 동시에 실행되도록 하면 시간을 아낄 수 있다.

병렬화가 가능한 부분을 더 쪼개서 동시에 실행되도록 하면 더 시간을 아낄 수 있다.
그러나, 병렬화가 가능하지 않은 부분인 B 때문에 성능을 무한으로 향상시킬 수는 없다.

병렬화 시 고려

병렬화 할 때 고려해야할 것들은 아래와 같다.

메모리의 속도
CPU 캐시 메모리
디스크
네트워크
커넥션
순차적 실행이 병렬 실행보다 빠른 경우도 있다. 동시 실행에 따르는 오버헤드가 없고, 단일 CPU 알고리즘은 하드웨어 작업에 더 친화적일 수 있기 때문
등등 …

암달의 법칙 (Amdahl’s Law)
암달의 법칙(Amdahl’s law)은 암달의 저주로도 불리며, 컴퓨터 시스템의 일부를 개선할 때
전체적으로 얼마만큼의 최대 성능 향상이 있는지 계산하는데 사용된다.
이론(theory)만 많은 컴퓨터과학 분야에서 몇 안되는 법칙(Law)이다.

병렬 컴퓨팅을 할 경우, 일부 병렬화 가능한 작업들은 사실상 계산에 참여하는 컴퓨터의 개수에 비례해서 속도가 늘어남
이러한 경우 암달의 법칙에 의해 전체 수행시간의 개선 효과는, 병렬화가 불가능한 작업들의 비중에 크게 영향을 받게 됨
즉, 아무리 컴퓨터의 개수가 늘어나더라도 속도의 한계는 정해져있다는 것

병행 vs 병렬

병행(Concurrent)은 멀티스레드 프로그래밍을 의미
병렬(Parallel)은 멀티코어 프로그래밍을 의미
우리가 살펴볼 것은 병행 프로그래밍(동시성 프로그래밍, 멀티스레드 프로그래밍)

활성 상태 보기를 보면 이렇게 프로세스, 스레드 등을 확인할 수 있다.
각각의 프로세스들은 자신만의 메모리 영역을 확보한 채로 실행되고 있다.

Context Switching

적절한 시간만큼 쪼개서 프로세스가 실행된다.
컴퓨터는 굉장히 빠르기 때문에 P1~P4가 마치 “동시에 실행되는 것처럼” 보인다.
- 실제로 동시에 실행되는 것은 아니다.
- 예를 들어, 프로세스 1 실행동안 다른 프로세스는 멈춰있다.
만약, P1이 실행되다가 잠시 멈췄다가 P2가 실행되는 상황이라고 하자. 그렇다면 나중에 다시 P1을 실행하려면, 어디까지 실행이 되었었는지, 메모리는 어디 부분을 사용하고 있었는지를 기억하고 있어야 할 것이다. 그래야 나중에 이어서 실행할 수 있으니까.
- 이런 부분을 Context Switching이 발생한다고 한다.
- 이 과정에서 시간이 많이 걸린다. 오버헤드가 발생한다.

Process

각각의 프로세스는 메모리 공간에서 독립적으로 존재
각각의 프로세스는 자신만의 메모리 구조를 가짐 (스택, 힙, BSS, Text)
프로세스 A, B, C가 있을 경우 각각 프로세스는 모두 같은 구조의 메모리 공간을 가짐
독립적인만큼 다른 프로세스의 메모리 공간에 접근할 수 없음
- 그렇다면, 프로세스끼리 어떻게 통신할까? -> IPC

IPC

IPC (Inter-Process Communication) : 프로세스간 통신

프로세스 A에서 프로세스 B를 직접 접근할 수 없기 때문에, 프로세스 간의 통신을 하는 특별한 방식이 필요하다. 메일슬록(mailslot), 파이프(pipe) 등이 바로 프로세스 간의 통신, 즉, IPC의 예시이다.
프로세스는 독립적인 메모리 공간을 지니기 때문에 IPC를 통하지 않고 통신할 수 없다.
프로세스가 여럿이 병렬적으로 실행되기 위해서는 필연적으로 Context Switching이 발생할 수 밖에 없다. 이것을 해결할 수 있는 것이 Thread이다.
- 스레드도 컨택스트 스위칭이 없는 것은 아니다.
- 하지만, 프로세스의 컨택스트 스위칭 비용보다 스레드의 컨택스트 스위칭 비용이 더 작아서 스레드가 더 유리하다.

Thread

스레드는 하나의 프로그램 내에 존재하는 여러 개의 실행 흐름을 위한 모델
우리가 생각하는 프로그램이 실행되기 위해서 하나의 실행흐름으로 처리할 수도 있지만, 다수의 실행흐름으로 처리할 수도 있음
스레드는 프로세스와 별개가 아닌 프로세스를 구성하고 실행하는 흐름
스레드도 Context Switching이 발생

메모리 공간에서의 스레드

하나의 프로세스가 가지고 있는 메모리를 여러 개의 스레드가 공유한다.
프로세스와 프로세스 간 전환보다 스레드와 스레드 간 전환의 비용이 당연히 적다.

Thread vs Process

스레드는 프로세스 안에 존재하는 실행 흐름
스레드는 프로세스의 heap, static, code 영역 등을 공유
스레드는 stack 영역을 제외한 메모리 영역은 공유
스레드가 code 영역을 공유하기 때문에, 프로세스 내부의 스레드들은 프로세스가 가지고 있는 함수를 자연스럽게 모두 호출할 수 있음
스레드는 IPC 없이도 스레드 간 통신 가능
- A, B 스레드는 통신하기 위해 heap 영역에 메모리 공간 할당, 두 스레드가 자유롭게 접근 가능
스레드는 프로세스처럼 스케쥴링의 대상이다. 이 과정에서 컨택스트 스위칭이 발생
- 하지만, 스레드는 공유하고 있는 메모리 영역 덕분에 컨택스트 스위칭 때문에 발생하는 오버헤드가 프로세스에 비해 적음
  - 동작 중인 프로세스가 바뀔 때 프로세스는 자신의 상태(context 정보)를 일단 보존한 후, 새롭게 동작 개시하는 프로세스는 이전에 보존해 두었던 자신의 context 정보를 다시 복구한다. 이와 같은 현상을 Context Switching이라 한다.
  - 스레드의 컨택스트 정보는 프로세스보다 적기에 스레드의 컨택스트 스위칭은 가볍게 행해지는 것이 보통
  - 하지만, 실제로 스레드와 프로세스의 관계는 JVM 구현에 크게 의존
참고로, 플랫폼이 같아도 JVM의 구현방법에 따라 프로세스와 스레드의 관계는 달라질 수 있음

무조건적으로 멀티 스레드 프로그래밍이 더 낫다는 의미는 아니다. 여러 스레드가 하나의 메모리를 공유해서 사용하는 경우에, 자원을 획득하기 위한 스레드 간 경쟁이 발생한다.

메모리가 많고, 컴퓨터의 속도가 빠른 경우에는 여러 개의 프로세스를 이용하여 실행하는 것이 여러 개의 스레드보다 유리할 수 있다.

멀티스레드(Multi Thread) 실행 방식

main 메서드부터 시작되어 흘러가는 하나의 흐름을 Main Thread라고 한다.
Main 흐름 안에서 새로운 스레드를 발생시켜서 동시에 여러 흐름이 흐르게 할 수 있다.

Java Thread 생성

Java에서 스레드를 생성하는 방법은 2가지가 있다.

Thread 클래스 상속받기
Runnable 인터페이스 구현하기

Thread 클래스 상속

Thread 클래스를 상속받는다.
run() 메서드를 오버라이딩 한다.
start() 메서드로 시작한다.

Thread 클래스를 상속받아 스레드를 작성할 수 있음
Thread의 run() 메서드를 상속받는 클래스에서 반드시 오버라이딩 해야한다.
start() 메서드가 굉장히 중요하다.
- Thread가 실행될 준비를 해주고, run() 메서드를 실행시키면서 스레드 흐름이 하나 더 생기게 되는 것이다.

class Xxx extends Thread {
	public void run() {
		// 동시에 실행될 드 작성
	}
}

Xxx x = new Xxx();
x.start();

예시

MyThreadMain

public class MyThreadExam {  
    public static void main(String[] args) {  
        String name = Thread.currentThread().getName();  
        System.out.println("thread name : " + name);  
        System.out.println("thread start!");  
  
        MyThread myThread1 = new MyThread("*");  
        MyThread myThread2 = new MyThread("+");  
 
		// 3. start() 메서드로 실행
        myThread1.start();  
        myThread2.start();  
  
        System.out.println("thread end!");  
    }  
}

MyThread.java

// 1. Thread 클래스 상속받음
public class MyThread extends Thread {  
  
    private String str;  
  
    public MyThread(String str) {  
        this.str = str;  
    }  
 
	// 2. run() 메서드 오버라이딩
    @Override  
    public void run() {  
        String name = Thread.currentThread().getName();  
        System.out.println("---" + name + "---");  
        for (int i = 0; i < 10; i++) {  
            System.out.print(str);  
            try {  
                Thread.sleep(1000); // 1초간 쉰다  
            } catch (InterruptedException ie) {  
                ie.printStackTrace();  
            }  
        }  
    }  
}
// thread name : main
// thread start!
// thread end!
// ---Thread-0---
// *---Thread-1---
// +*++*+*+*+**+*++*+*

모든 스레드가 종료될 때 프로그램이 종료된다.

Runnable 인터페이스 구현

Runnable 인터페이스 구현
run() 메서드 오버라이딩
Thread 인스턴스를 생성할 때, 생성자에 Runnable 인스턴스 넣기
Thread가 가지고 있는 start() 메서드 호출

Runnable 인터페이스를 구현하면 run() 메서드를 반드시 오버라이딩
근데, Runnable 인터페이스에는 스레드가 실행될 준비를 해주는 start() 메서드가 없다.
- 그래서 만든 클래스를 스레드가 가지도록 해야 한다.

class Xxx implements Runnable {
	public void run() {
		// 동시에 실행될 코드 작성
	}
}

Xxx x = new Xxx();
Thread t = new Thread(x);
t.start();

MyRunnable.java

 
// 1. Runnable 인터페이스 구현  
public class MyRunnable implements Runnable {  
    private String str;  
    
    public MyRunnable(String str) {  
        this.str = str;  
    }  
  
    // 2. run() 메서드 오버라이딩  
    @Override  
    public void run() {  
        String name = Thread.currentThread().getName();  
        System.out.println("---" + name + "---");  
        for (int i = 0; i < 10; i++) {  
            System.out.print(str);  
            try {  
                Thread.sleep(1000); // 1초간 쉰다  
            } catch (InterruptedException ie) {  
                ie.printStackTrace();  
            }  
        }  
    }  
}

MyThreadExam2.java

public class MyThreadExam2 {  
    public static void main(String[] args) {  
        String name = Thread.currentThread().getName();  
        System.out.println("thread name : " + name);  
        System.out.println("thread start!");  
  
        MyRunnable myRunnable1 = new MyRunnable("*");  
        MyRunnable myRunnable2 = new MyRunnable("+");  
  
        // 3. Thread 인스턴스를 생성할 때, 생성자에 Runnable 인스턴스 넣기  
        Thread thread1 = new Thread(myRunnable1);  
        Thread thread2 = new Thread(myRunnable2);  
  
        // 4. Thread가 가지고 있는 start() 메서드를 호출  
        thread1.start();  
        thread2.start();  
  
        System.out.println("thread end!");  
    }  
}

10. Java Thread