스레드 풀


Thread pool은 task 큐와, 작업자 스레드 집합의 조합.


작업자 스레드는 생산자-소비자 구조를 형성한다.


생산자는 큐에 Task를 추가하고, 작업자 스레드는 새로운 백그라운드 실행을

수행할 준비가 된 유휴 스레드가 있을 때마다 Task를 소비한다.




작업자 스레드 풀은, 태스크를 실행하는 활성 스레드와 실행을 기다리는 유휴 스레드를 모두포함할 수 있다.



스레드 풀의 장점

- 작업자 스레드는 실행할 다음 태스크를 기다리기 위해서, 살아 있을 수 있음. 이는

스레드가 매 태스크를 위해 생성과 파괴(오버헤드 증가)될 필요 없다는 것을 의미한다.


- 스레드 풀은 스레드의 최대개수로 정의된다. 이는 응용프로그램 메모리를 소비하는

백그라운드 스레드 수가 많아져서 스레드 풀에 과부하가 걸리는것을 막기 위해서다.


-모든 작업자 스레드의 생명주기는 스레드 풀 생명주기에 의해 제어된다.



미리 정의된 스레드 풀

Executor 프레임워크는 Executors 팩토리 클래스에서 만들어진 미리 정의된 스레드 풀 유형을 포함한다.


- 고정 크기

고정크기 스레드 풀은, 사용자가 정의한 개수의 작업자 스레드를 유지한다.

종료된 스레드는 작업자 스레드의 일정 스레드 수를 유지하기 위해 새로운 스레드로 대체딘다.

고정된 풀 유형은 Executors.nexFixedThreadPool(n) 으로 생성되며 n은 스레드 수다.


이 스레드 풀 유형은 무한한 태스크 큐를 사용한다. 즉 새로운 태스크가 추가로 더해지면 큐가 자유롭게 증가할수있다.

그러므로 생산자는 태스크를 삽입하는데 실패하지 않는다.



- 동적 크기

동적 크기의 스레드 풀, 즉 캐시된 스레드 풀은 처리할 태스크가 있을 때 새로운

스레드를 만든다. 유휴 스레드는 실행할 새로운 태스크를 60초간 기다리고, 태스크 큐가 비어있는

경우 종료된다. 따라서 스레드 풀은 실행할 태스크 수와 함꼐 늘어나고 줄어든다.

Executors.newCachedThreadPool()로 생성한다.




- 싱글스레드 실행자

이 풀은 큐에서 task를 처리하기위해 하나의 작업자 스레드를 가진다.

태스크는 차례대로 실행되고 스레드 안전이 침해될수없다.

Executors.newSingleThreadExecutor()로 생성한다.

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암시적 잠금 사용


자바에서 암시적 잠금은 synchronized를 사용하면된다. 하지만 사용하는 방식에따라 다른 방법으로 공유자원을 접근 읽기쓰기를 수행할 수 있습니다. synchronized 키워드는 다양한 암시적 잠금을 제공하게됩니다.


*1.) 객체 인스턴스를 둘러싸는 암시적 잠금으로 작동하는 메서드 레벨

 synchronized void writeVal(){

     sharedVal++;

}

객체의 인스턴스 메서드가 여러스레드에서 호출될때, 동기화문제를 해결합니다.


*2.)객체 인스턴스를 둘러싸는 암시적 잠금으로 작동하는 블록 레벨

  void writeVal(){

    synchronized(this){

       sharedVal++;

   }

}

1.)과 거의 비슷하나 강점이 있습니다.

위의 코드의 장점은, 임계영역에 포함된 코드의 정확한 블록을 제어할 수 있고, 실제로 보호될 상태와 관련된 코드만 줄여서 다룰 수 있게 됩니다. 일표이상으로 원자영역(atomic) 을 크게 만들지 않습니다. 


*3.)다른객체의 암시적 잠금을 가지는 블록 레벨

private final Object myLockKey= new Object(); 

 void writeVal(){

  synchronized(myLockKey){

     sharedVal++;

  }

}

클래스내에서 여러개의 잠금을 사용할 수 있게 됩니다. 


*4.)클래스 인스턴스를 둘러싸는 암시적 잠금으로 작동하는 메서드 레벨

 synchronized static void writeVal(){

     sharedVal++;

}


*5.)클래스 인스턴스를 둘러싸는 암시적 잠금으로 작동하는 블록레벨

 static void writeVal(){

   synchronized(MyClass.class){  //static 변수.

      sharedVal++;

   }

}





예제:소비자와 생산자


스레드끼리 공동으로 작업할때, 순서를 의도적으로 조율해야할 경우가 있습니다. 보통 이러한 패턴을 소비자 생성자 패턴이라 부릅니다.



다음클래스는, 생산부분과, 소비부분이 있습니다. 리스트에 변수를 추가하고 삭제를하는 시나리오를 생각해보겠습니다.

생산메서드는, 리스트의 변수를 늘리고, 소비리스트는 변수를 줄일겁니다. 생산메서드는 용량이 꽉차면 소비가 이뤄질때까지 소유권을 포기하고(열쇠를 포기) 대기해야되며, 소비메서드는 용량이 0이면 소비를멈추고 자바 모니터 소유권을 포기하고(열쇠를 포기하고) 대기해야할 것입니다.


public class ConAndPro{

  private LinkedList<String> mList = new LinkedList<Steing>();

  private Object lock = new Object();


 //생산

  public void produce(){

     while(true){

    synchronized(lock){

      while(mList.size() == 10){

          lock.wait();  //자바모니터에서 소유권을 포기하고 넘겨줍니다.(notify가올때까지 여기서 대기됨)

       }

      list.add("supply");

      lock .notify();

    }


     }

  


 //소비

  public void consume(){

    while(true){

    synchronized(lock){

      while(mList.size() == 0){

          lock.wait();  //자바모니터에서 소유권을 포기하고 넘겨줍니다.(notify가올때까지 여기서 대기됨)

       }

      list.removeFirst();

      lock .notify();

    }


     }

  


} 

.


lock 에 대해 동기화가 되었습니다. lock.wait은, lock에 의해 동기화된부분에서 열쇠,자바모니터를 포기한다는 의미입니다. 소유권을 내어놓게됩니다.

lock.notify는 lock임계영역에서 열쇠를 포기해서 대기중인 스레드에게 다시 소유권을 주어 lock 임계영역에서 스레드 활동을 할수있도록 해줍니다.


물론 sychonized(lock) 이부분은 어떤 스레드가 동기화변수 "lock"을가지고있는지 확인하고 없으면 자신이 들어가고, 있으면 밖에서 대기를 하다가 synchronized안에 들어가게 됩니다. 


들어가게 되어도, 생산 소비할때 조건이 안된다면 wait을 만나서 잠시 lock을 내어놓고, 다른 lock의 임계영역에 들어간 스레드가 notify 해줄때까지 기다리게 됩니다. notify를 받으면 다시 lock임계영역에소 소유권을 가지게되어 다시 스레드가 synchronized(lock) 에서 멈췄던 부분에서부터 시작되게 됩니다.



아래 코드는 생산과 소비동작을 실행하는 두개의 Thread 예시입니다.


 final ConAndPro cp = new ConAndPro();


new Thread(new Runnable(){

 @Override

 public voice run(){

     cp.produce();

  

  }

}.start();


new Thread(new Runnable(){

 @Override

 public voice run(){

     cp.consume();

  

  }

}.start();






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스레드 안전 Intro

여러 Thread에서 객체에 접근할때, 객체가 항상 정확한 상태를 유지해야 스레드안전이 보장됩니다. 동기화는 하나의 Thread에 의해 변경되는 도중에 다른 스레드의 접근이 가능한 모든 변수를 읽거나 쓰는 코드에 적용되어야 합니다. 이러한 코드 영역을 임계여역이라고 하며, 임계영역은 원자적으로 실행되어야합니다. 결론적으로 말하자면, 한번에 하나의 스레드만 접근을 허용하도록 실행되어야 합니다.



암시적 잠금과 JAVA Monitor

 synchronized 키워드는 모든 자바 객체에서 사용하는 암시적 잠금으로 동작하게 됩니다.  임계영역에서 스레드의 실행이 한스레드에 독점적임을 의미하게됩니다. 

 하나의 스레드가 임계영역을 점유하는 동안 다른 스레드의 접근은 차단되고, 잠금이 해제될때까지 실행할수 없게됩니다. 


Java monitor에는 3가지 상태가 있습니다.


차단된 스레드, 실행중인 스레드, 대기스레드가 있습니다.


JAVA Monitor 3가지 모델링


1. 차단된 스레드

다른스레드에 의해 해제될 모니터를 기다리는 동안, 일시 중단된 스레드입니다.


2. 실행 중 스레드

모니터를 소유하고 현재 임계영역에서 코드를 실행중인 스레드입니다.


3. 대기 스레드

임계영역의 끝에 도달하기 전에 자발적으로 모니터의 소유권을 포기한 스레드입니다. 이 스레드는 사기 소유권을 얻을 때까지 스레드의 신호를 기다립니다.


스레드에 접근(1) -> 차단된스레드(2) -> 실행중인스레드(3) -> 대기스레드(4)   -> 다시 실행중인 스레드(5), (상황에 따라서)

위의 그림에있는 상태설명.


1. 모니터에 진입

스레드가 암시적 잠금에 의해 보호된 영역에 접근을 시도합니다. 이 스레드는 모니터에 들어가게됩니다. 만약 다른 스레드가, 이미 잠금을 차지하고 있으면 스레드의 잠금 획득이 연기되게 됩니다.


2. 잠금 획득

모니터를 소유하고 있는 다른 스레드가 없는경우, 차단된 스레드는 소유권을 획득하고 임계영역에서 실행되게 됩니다. 


3. 잠금 해제 및 대기

스레드는, 계속 실행하기 전에 충족해야할 조건을 기다려야 하는 경우도있습니다. (생산자 소비자문제처럼, 다른 스레들간의 순서를 조율하거나, 조건등에따라 스레드 실행순서를 제어하고자할때).

그럴때는 Object.wait()를 통해서 스레드 자신의 실행을 일시 중단합니다.


Object.wait()을 하게되면 Object (주로, synchronized에 쓰이는 열쇠? 동기화 구분의 변수명가 되겠습니다.) 를 synchronized하며, 실행중인 스레드영역에있던 스레드는, 열쇠를 내어놓고, 대기 스레드에 들어가서 notify가 다른 스레드에서 호출되기전까지 대기하게 됩니다. 

다른 실행중인 스레드에서 notify가 호출되면 대기스레드에있던 스레드는 다시 열쇠를획득하고 실행중인 스레드(4.과정)으로 들어가게됩니다.



4. 신호 후 잠금 획득

대기 스레드가 Object.notify(), Object.notifyAll()을 통해, 다른스레드로부터(실행중이었던 스레드) 신호를 받고, 스케줄러에 의해 선택되면, 다시 모니터의 소유권을 가지게됩니다. 하지만, 대기스레드가, 모니터를 소유할 가능성은, 잠재적으로 차단된 스레드보다는 앞설수 없다고합니다.



5. 잠금 해제 및 모니터 종료

임계영역의 끝에서 스레드는 모니터를 종료하고, 다른 스레드가 모니터를 소유할 수 있도록 자리를 떠나게 됩니다.



위의 다섯가지 순서는 아래의 코드와도 같습니다.

synchronized(this) { //(1) 

   // 코드 실행 (2)

   wait(); (3)

   // 코드 실행 (4)

}(5)




다음 포스팅에서는, 암시적 잠금사용의 예제와 소비자와 생산자 코드를 살펴보도록 하겠습니다.


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