[Java 응용] 11. 스레드(Thread)를 사용한 병렬 처리

👀 유용한 정보

eclipse 에서 코드 계층 구조 보기

• f3 해당 타겟으로 가기 → 우클릭 → Open Call Hierarchy

💡피드백 Tip

함수형 프로그래밍의 장점

💡

기존의 if, for문 개발자가 실수할 수 있는 요소들이 많았다. (추가적인 변수 사용, 조건, 분기 제어 등) Stream을 사용한 함수형 프로그래밍은 추가적인 변수를 사용하지 않아도 처리가 된다. 따라서, 개발자의 실수를 줄일 수 있다.

Lambda의 축약

💡

코드의 가독성을 위해 Lambda 식을 사용할 때 축약이 가능할 때에도 타입 등을 명시해두는 것이 좋다.

소프트웨어 테스트의 주요 접근 방식

1. 화이트 박스 테스트

💡

White Box Testing은 소프트웨어의 내부 구조와 코드를 분석하여 테스트 케이스를 설계하는 방식입니다. 소프트웨어의 내부 동작을 이해하고 테스트 케이스를 보다 효율적으로 설계할 수 있지만, 소프트웨어의 내부 구조를 이해하기 위해 개발자나 기술적인 능력이 요구된다.

👀 응용Ch10의 클래스 JUnit 단위 테스트는 화이트 박스 테스트라 볼 수 있다.

2. 블랙 박스 테스트

💡

Black Box Testing은 소프트웨어의 내부 구조나 코드를 고려하지 않고, 소프트웨어의 입력과 출력만을 검증하여 테스트 케이스를 설계하는 방식입니다. 이 방식은 소프트웨어의 기능을 중심으로 테스트를 수행하므로 비전문가도 테스트를 수행할 수 있으며, 소프트웨어의 외부 사용자 관점에서 검증할 수 있습니다.

👀 프로그램 밖에서 입출력 만을 검사한다.

커버리지

💡

소프트웨어 테스트에서 사용되는 지표 중 하나로, 소프트웨어 코드의 어느 정도가 테스트되었는지를 나타낸다.

테스트 케이스가 실행된 후에 얼마나 많은 코드가 실행되었는지를 계산하여 나타낸다. ex) 100줄의 코드 중 80줄이 실행되었다면, 코드 커버리지는 80%이다.

💡

응용Ch10에서 작성한 테스트 코드의 Coverage 확인해보니, BankTest는 82%의 커버리지를 보였다.

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📘 응용 11장 스레드(Thread)를 사용한 병렬 처리

스레드 (Thread)

• 스레드(Thread) : 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위

💡

Java는 동시에 2가지 이상의 명령을 동시에 수행하기 위해 Thread API를 제공한다.

기존의 스레드를 사용하지 않은 출력 예

for (int i = 0; i < 10; i++) {
		System.out.println(i);
}

스레드를 사용하는 예

💡

run() 메서드를 가진 Runnable 인터페이스를 구현한 PrintingThread 클래스의 인스턴스를 Thread 객체에 인자로 주어 스레드를 사용할 수 있다.

package com.pkd.example;

public class PrintingThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(i);
        }
    }
}

package com.pkd.example;

import java.util.Scanner;

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("아무거나 입력");
        Scanner sc = new Scanner(System.in);

        Thread thread = new Thread(new PrintingThread());
        thread.start();
        sc.nextLine();
		}
}

💡

스레드 구현은 다양한 방식으로 구현할 수 있다. 인터페이스 타입을 사용할 때 다형성을 이용하면 여러가지 형태로 구현할 수 있다. ex) 무명 클래스, 람다식 이용 등

package com.pkd.example;

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        // Runnable 구현한 클래스를 인자로 주어 스레드 사용
        Thread thread = new Thread(new PrintingThread());
        thread.start();
        
         // 무명 클래스를 활용한 스레드 구현
         new Thread(new Runnable() {
         @Override
         public void run() {}
         }).start();
        
        
         // 람다식을 이용한 스레드 구현
         new Thread(() -> {
        
         }).start();

💡

무명 클래스, 람다식 상호 코드 변환 꿀팁! - 구현된 무명 클래스 → Ctrl + 1 : Convert to lambda expression - 구현된 람다식 → Ctrl + 1 : Convert to lambda Class

스레드 확인해보기

package com.pkd.example;

import java.util.Scanner;

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++)
                try {
                    Thread.sleep(100);
                    System.out.println("Thread :" + Thread.currentThread().getName() + " " + i);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
        }).start();


        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++)
                try {
                    Thread.sleep(100);
                    System.out.println("Thread :" + Thread.currentThread().getName() + " " + i);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
        }).start();
    }
}

💡

스레드를 출력 해보니, 불규칙한 순서대로 스레드가 실행되는 것을 볼 수 있다.

스레드 세이프한 설계

💡

복수의 스레드를 이용한 프로그래밍을 멀티스레드 프로그래밍 이라고 한다.

순서대로 실행되는 것을 동기(Synchronization) 이라고 하고 여러 스레드가 동시에 병렬로 실행되는 것을 비동기(Asynchronization) 이라고 한다 .

Java에는 여러 스레드를 제어하는 방법을 제공하고 ‘여러 스레드에서 동시에 이용해도 안전한 클래스나 메서드'는 스레드 세이프 (Thread safe)한 설계라고 말할 수 있다.

1000개의 스레드의 경합 조건(race condition) 문제 발생

package com.pkd.example;

public class Counter {
    int num = 0;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Counter counter = new Counter();
        // 1. 동기화를 하지 않았을 경우.
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(() -> {
                 try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                counter.num++; // 스레드 내에서 다른 객체를 조작하면
            }).start();
        }
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println(counter.num);
    }
}

💡

for 루프에서 1000개의 스레드를 생성하여 실행하고, 각 스레드는 10밀리초의 딜레이 후에 num 변수를 증가시킨다.

이때, 10밀리초 딜레이가 모든 스레드에 대해 충분하지 않을 수 있다. 따라서, 스레드들이 num 변수를 동시에 증가시키는 것이 가능하며, 이로 인해 경합 조건(Race Condition) 문제가 발생했다. 변수 값이 순차적으로 정상 증가 되지 않았음에도, 각 스레드가 동시에 변수에 접근하게 되어 원하는 값이 저장되지 않은 문제가 발생한 것이다.

💡

따라서, 멀티 스레드의 Race condition 문제를 해결하기 위해 각 스레드가 하나의 자원을 접근하는 부분에 동기화 처리가 필요하다.

Synchronized에 의한 동기화 제어

💡

synchronized 키워드를 활용한 변수 접근에 대한 lock 처리

package com.pkd.example;

public class Counter {
    int num = 0;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 2. 동기화 했을 경우
        Counter counter2 = new Counter();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(10);
                    synchronized (counter2) {
                        counter2.num++; // 스레드 내에서 다른 객체를 조작하면
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println(counter2.num);
    }
}

💡

synchronized 키워드를 활용해 동시성을 보장하게 되어 경합 조건 문제를 해결할 수 있었다. 따라서, 복수의 스레드가 실행할 수 있는 가능성이 있는 부분은 synchronized 블록 내에 작성하면 된다.

💡

1) 메서드 선언부에 synchronized 키워드 추가 2) main()의 동기화가 필요한 부분에 synchronized 키워드 추가

스레드 사용에 있어서의 위험성 (교착상태)

교착상태 (DeadLock) 예시

💡

교착상태 시나리오 설명 thread1 synchronized로 인해 resource1에 대한 lock → resource1이 가용할 수 있는 상태라면 해당 resource1를 점유하고, 다른 스레드가 resource1에 대해 접근하지 못하도록 lock을 건다. thread2 synchronized로 인해 resource2에 대한 lock → resource2이 가용할 수 있는 상태라면 해당 resource2를 점유하고, 다른 스레드가 resource2에 대해 접근하지 못하도록 lock을 건다. thread1 → resource2에 대해 점유하지 못해 무한정 대기 thread2 → resource1에 대해 점유하지 못해 무한정 대기

💡

교착상태에 빠져버렸다.

스레드 사용시 고려할 점

💡

스레드는 되도록 사용하지 않는 것이 좋다.

어쩔 수 없는 경우에만 스레드를 사용하고, 리스크를 감수할 각오를 하고, 개발기간이나 테스트에 충분한 시간을 가진다.

테스트나 문제 해결이 무지하게 어렵다. 개발 공정 전체에 많은 영향을 끼칠 수 있다.

스레드 등 병렬처리(비동기)는 고도의 스킬이 필요하다.

Concurrency Utilities의 이용

💡

스레드에 대한 고수준 API

Executor Thread를 직접 사용하지 않고 병렬 처리가 가능 처리 효율을 높일 수 있는 스레드풀(thread pool) 등을 이용 가능

스레드 세이프한 컬렉션 ConcurrentHashMap 등 기존과 동일한 기능 + 스레드 세이프한 클래스를 제공

Synchronized 또는 Lock 에 관한 수행 복수 스레드를 잘 사용하기 위한 기능을 제공하는 클래스들 다수 제공 CountDownLatch, CyclicBarrier, Exchanger, Semaphore 등

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📝연습 문제

11-1

package com.pkd.exam;

public class CountUpThread {

    public CountUpThread() {
        for (int i = 0; i <= 50; i++) {
            System.out.print(i + " ");
        }
        System.out.println();
    }
}

package com.pkd.exam;

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        for(int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(() -> {
                CountUpThread cut = new CountUpThread();
            }).start();
        }
    }
}

💡

3개의 스레드에서 CountUpThread를 생성하고 실행키신 결과 동시성으로 순차적이지 않은 결과를 볼 수 있었다.

11-2

package com.pkd.exam;

public class Counter {
    private long count = 0;
    
    public synchronized void add(long i) {
        System.out.println("더하기");
        count += i;
    }
    
    public synchronized void mul(long i) {
        System.out.println("곱하기");
        count *= i;
    }

    public long getCount() {
        return count;
    }

    public void setCount(long count) {
        this.count = count;
    }

}

package com.pkd.exam;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Counter counter = new Counter();
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(() -> {
                counter.add(1);
                counter.add(1);
                counter.mul(2);
                counter.mul(2);
            }).start();
        }
        Thread.sleep(10);
        System.out.println(counter.getCount());
    }
}

💡

synchronized 키워드를 각 메서드에 추가하여 멀티 스레드 환경에서도 안전하도록 설정했다. 정상적인 계산 결과가 출력된 것을 볼 수 있었다.

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💡

스레드는 사람이 직접 다루기 어렵다. 따라서 되도록 스레드를 사용하지 않고, 동시성 코드로 설계하는 것이 중요하다.

💡

스레드의 문제 - 변수의 값에 접근해 처리 하다 보니 문제 발생 → 함수형 프로그래밍의 변수가 없는 상태 제어로 동시성 프로그래밍

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