JAVA - 멀티 스레딩과 동기화

스레드와 프로세스의 개념 복습

• 프로세스(Process): 운영체제에서 실행되는 하나의 독립된 프로그램입니다. 각 프로세스는 고유의 메모리 공간을 가지고 있으며 다른 프로세스와 메모리를 공유하지 않습니다. 하나의 프로세스는 여러 개의 스레드를 가질 수 있습니다.
• 스레드(Thread): 스레드는 프로세스 내에서 실행되는 작업 단위로 프로세스의 자원을 공유합니다. 즉 같은 프로세스 내의 스레드들은 같은 메모리 공간을 사용하며 스레드 간 자원 공유는 성능을 높일 수 있지만 동시성 문제를 발생시킬 수 있습니다.

멀티쓰레딩 사용 시 일반 코드와의 차이점 및 유의점

1. 일반 코드 vs 멀티쓰레딩 코드의 차이점

• 일반 코드: 기본적으로 순차적으로 실행됩니다. 하나의 작업이 끝난 후 다음 작업이 실행되며 병렬 처리 없이 단일 스레드만 사용합니다. CPU의 한 코어만 사용되며 병렬로 작업을 처리할 수 없습니다.
• 멀티쓰레딩 코드: 여러 스레드가 동시에 실행되므로 병렬 처리가 가능해집니다. 이를 통해 시스템의 여러 CPU 코어를 활용하여 성능을 극대화할 수 있습니다. 하지만 스레드 간 자원 공유로 인한 동시성 문제(Concurrency Issues)가 발생할 수 있으며 특히 여러 스레드가 동시에 같은 데이터를 읽고 쓸 때 **데이터 레이스(Data Race)**와 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

2. 멀티스레딩 코드의 유의점

• 💥 동시성 문제(Concurrency Issues): 여러 스레드가 동시에 동일한 자원에 접근할 때 일관성이 보장되지 않으면 데이터가 손상될 수 있습니다. 예를 들어 두 스레드가 동일한 변수의 값을 동시에 변경하면 예상치 못한 결과를 초래할 수 있습니다.
• ⛔️ 데드락(Deadlock): 두 개 이상의 스레드가 서로 다른 자원을 점유한 상태에서 상대방이 가지고 있는 자원을 요청할 때 데드락이 발생할 수 있습니다. 데드락 상태에서는 스레드가 영원히 자원을 기다리며 멈추게 됩니다.
• 🎛️ 컨텍스트 스위칭(Context Switching): 여러 스레드가 실행될 때 CPU는 한 스레드에서 다른 스레드로 작업을 전환해야 합니다. 이 과정에서 컨텍스트 스위칭이 발생하며 이는 일정한 오버헤드를 발생시킵니다. 스레드 수가 많아지면 오버헤드도 커질 수 있습니다.
• ⛑️ 스레드 안전(Thread Safety): 여러 스레드가 동시에 접근하는 코드나 자원은 스레드 안전성을 보장해야 합니다. 이를 위해 **동기화(Synchronization)**를 사용하거나 스레드 안전한 자료구조(예:

  text

  1ConcurrentHashMap

  )를 사용해야 합니다.

멀티스레딩의 장점과 단점

1. 장점

• 성능 향상: 멀티스레딩을 사용하면 여러 작업을 병렬로 처리할 수 있어 프로그램의 성능이 크게 향상됩니다. 특히 멀티코어 CPU에서 각각의 코어가 병렬로 작업을 수행하기 때문에 성능을 극대화할 수 있습니다.
• 응답성 개선: 사용자 인터페이스(UI) 프로그램에서 멀티스레딩을 사용하면 백그라운드 작업을 처리하는 동안에도 UI가 계속 반응할 수 있습니다. 예를 들어 파일을 다운로드하는 동안 UI가 멈추지 않고 사용자 입력에 반응할 수 있습니다.
• 자원 효율성: 멀티스레딩을 통해 여러 스레드가 동일한 메모리 공간과 자원을 공유하므로 멀티프로세스보다 자원을 효율적으로 사용할 수 있습니다.

2. 단점

• 동기화 문제: 여러 스레드가 동일한 자원에 동시에 접근할 때 동기화 문제로 인해 데이터 불일치나 데이터 손상이 발생할 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 동기화 블록이나 **락(lock)**을 사용해야 합니다.
• 코드 복잡성 증가: 멀티스레딩 코드를 작성하면 프로그램의 복잡도가 크게 증가합니다. 특히 스레드 간의 타이밍 이슈나 동기화 문제를 해결하기 위한 코드가 많아지면서 디버깅과 테스트가 어려워질 수 있습니다.
• 컨텍스트 스위칭 오버헤드: 여러 스레드가 동시에 실행될 때 CPU는 스레드 간에 자주 전환해야 합니다. 이때 발생하는 컨텍스트 스위칭은 성능 저하를 초래할 수 있으며 스레드 수가 많아질수록 이 오버헤드도 증가합니다.
• 데드락 및 레이스 컨디션: 멀티스레딩 환경에서는 **데드락(Deadlock)**이나 레이스 컨디션(Race Condition) 같은 문제가 발생할 수 있습니다. 자원 접근을 적절히 관리하지 않으면 프로그램이 멈추거나 의도하지 않은 결과를 초래할 수 있습니다.

동기화(Synchronization)의 개념 및 중요성

1. 동기화의 개념

1synchronized

• 메소드 동기화: 메소드 전체를 동기화하는 방법으로 메소드가 실행되는 동안 다른 스레드가 해당 메소드에 접근하지 못하게 합니다.

  java
  1public synchronized void increment() {
  2    count++;
  3}

• 블록 동기화: 메소드의 일부만 동기화할 때 사용하며 필요한 코드 블록만 동기화하여 성능을 최적화할 수 있습니다.

  java
  1public void increment() {
  2    synchronized (this) {
  3        count++;
  4    }
  5}

2. 동기화의 중요성

멀티스레딩과 동기화를 함께 고려한 코드 작성

예시: 동기화가 없는 경우의 문제

java
1class Counter {
2    private int count = 0;
3
4    public void increment() {
5        count++;  // 동기화되지 않음
6    }
7
8    public int getCount() {
9        return count;
10    }
11}
12
13public class Main {
14    public static void main(String[] args) {
15        Counter counter = new Counter();
16
17        Thread t1 = new Thread(() -> {
18            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
19                counter.increment();
20            }
21        });
22
23        Thread t2 = new Thread(() -> {
24            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
25                counter.increment();
26            }
27        });
28
29        t1.start();
30        t2.start();
31
32        try {
33            t1.join();
34            t2.join();
35        } catch (InterruptedException e) {
36            e.printStackTrace();
37        }
38
39        System.out.println("Final Count: " + counter.getCount());
40    }
41}

1count++

text
11.	count의 값을 읽음 (load)
22.	count의 값을 1 증가시킴 (increment)
33.	증가된 값을 다시 count에 씀 (store)

text
11.	t1이 count 값을 읽어 0을 가져옴.
22.	t2도 거의 동시에 count 값을 읽어 0을 가져옴.
33.	t1이 count를 1로 증가시킴.
44.	t2도 동일하게 1로 증가시킴.
55.	두 스레드 모두 1이라는 값을 count에 저장함.

예시: 동기화 적용

java
1class Counter {
2    private int count = 0;
3
4    public synchronized void increment() {
5        count++;  // 동기화됨
6    }
7
8    public int getCount() {
9        return count;
10    }
11}

1increment()

결론