[자바8] 프로세스 內 실행 작업단위 스레드와 자바의 스케줄링 및 스레드 상태전이

Posted Apr 14, 2025 Updated Apr 26, 2025

By leewooyup 24 min read

🪵 멀티태스킹과 멀티프로세싱

🪵 OS는 스케줄링이라는 기법을 이용해 동시에 여러 작업을 수행한다

하나의 CPU 코어로 여러개의 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이게 하는 기술을 ’ 멀티태스킹 ‘이라 한다.

즉, CPU가 매우 빠르게 여러 개의 프로그램 코드를 번갈아 연산하는 것이다. ⚠️ 프로그램 실행 = CPU 연산
프로그램의 실행시간을 분할해서, 마치 동시에 실행되는 것처럼 보이게 하는 기법을
시분할(Time Sharing) 기법이라 한다.

OS가 각 프로그램의 실행시간을 결정하는데, 이를 스케줄링이라 한다.
단순히 시간으로만 작업을 분할하지는 않고, CPU를 최대한 활용할 수 있는 우선순위와 최적화 기법을 사용한다.

멀티프로세싱은 프로세서(CPU 코어)가 여러개여서, 물리적으로 동시에 여러 개의 프로그램을 처리할 수 있는 것을 말한다.

즉, 멀티태스킹은 운영체제 소프트웨어 관점에서의,
멀티프로세싱은 하드웨어 관점에서의 동시에 처리하는 기술을 의미한다.

👹 프로세스와 스레드

👹 실행중인 프로그램의 인스턴스를 프로세스라 한다

각 프로세스는 독립적인 메모리 공간을 가지고 있다.

코드 섹션: 실행할 프로그램의 코드가 저장되는 영역
데이터 섹션: 전역변수 및 정적변수가 저장되는 영역
힙: 동적으로 할당되는 메모리 영역
스택: 메서드 호출 시, 생성되는 지역변수와 반환주소가 저장되는 영역

※ os에서 독립된 실행단위로 취급되어 관리된다.

스레드는 프로세스 내에서 실행되는 작업의 단위이다. ⚠️ 실제로 CPU에 의해 실행되는 단위이다.
하나의 프로세스 내부의 여러 스레드는 프로세스가 제공하는 동일한 메모리 공간 및 자원을 공유하지만,
각 스레드는 개별 스택을 가지고 있다.

스레드는 프로세스 내 작업의 단위이자, 코드를 실행하는 흐름을 말한다.

⏱️ 단일코어 스케줄링
os는 내부에 스케줄링 큐를 가지고 있고, 각 스레드는 스케줄링 큐에서 대기한다.
os는 스레드를 큐에서 꺼내 CPU를 통해 실행한다.
최적화 기법에 의해 잠시 스레드를 멈추고, 큐에 다시 넣은 뒤,
다음 스레드를 큐에서 꺼내 반복 수행한다.

※ 멀티코어 스케줄링
스케줄링 큐에 대기하는 각각의 스레드를 각 CPU코어에서 병렬로 실행한다.

🍝 컨텍스트 스위칭

🍝 멀티태스킹이 반드시 효율적이지는 않다

다음 스레드를 실행하기 위해, 현재 스레드를 멈추는 시점에서 CPU가 사용하던 값들을 메모리에 저장해야 한다.
이후에 해당 스레드를 다시 실행할 때, 이 값들을 CPU에 다시 불러와야 한다.
이러한 과정을 ’ 컨텍스트(context, 현재 작업하던 코드문맥) 스위칭 ‘이라 한다.
즉, 컨텍스트 스위칭 과정에는 약간의 전환비용이 발생한다.
때문에, 스레드가 많아지면 컨텍스트 스위칭 비용이 늘어난다.

스레드가 하는 작업은 크게 2가지로 구분할 수 있다.

CPU 바운드 작업
CPU의 연산능력을 요구하는 작업 (CPU의 처리속도가 작업의 완료시간을 결정하는 경우)
i/o 바운드 작업
디스크, 네트워크, 파일 시스템과 같은 입출력을 요구하는 작업
※ i/o 작업이 완료될 때까지 대기시간이 많이 발생한다.
이 때 스레드가 CPU를 사용하지 않아, CPU가 대기상태에 있는 경우가 많다.

즉, 스레드의 작업 유형과 성능테스트 결과에 따라, 스레드 수를 적절히 조절해야 한다.

⚔️ 자바 메모리 구조

🔅 메서드 영역 ( Method Area ): 프로그램에 필요한 공통데이터를 관리하며, 해당 영역은 프로그램의 모든 영역에서 공유한다.

클래스 정보: 클래스의 실행코드(바이트코드) [필드, 메서드, 생성자 등]
static 영역: static 변수를 보관
런타임 상수 풀: 공통 리터럴 상수 보관

🔅 스택 영역 ( Stack Area ): 스레드 별로 실행 스택이 생성된다.
메서드를 호출할 때마다, 스택프레임이 쌓이고, 메서드가 종료되면 제거된다.
각 스택 프레임은 지역변수, 중간 연산결과, 메서드 호출정보등을 포함한다.

🧶 main 메서드를 실행하는 메인스레드
프로세스가 작동하려면 코드를 실행시킬 스레드가 최소 하나는 있어야 하는데
자바는 실행시점에 main이라는 이름의 스레드를 만들고, 프로그램의 진입점인 main 메서드를 실행한다.

🔅 힙 영역 ( Heap Area ): 객체(인스턴스)와 배열이 생성되는 영역이다.
가비지 컬렉션(GC)이 이루어지는 주요 영역이며, 더이상 참조되지 않는 객체는 GC에 의해 제거된다.

🗿 스레드 생성 2가지 방법

🗿 스레드 객체 생성 3가지 방법

🧶 스레드 객체 생성1 - Thread 클래스 상속
자바는 스레드도 객체로 다룬다.
즉, 스레드가 필요하면 Thread 클래스를 상속받아 스레드 객체를 생성해서 사용하면 된다.
단, 자바는 단일상속만을 허용하므로, 이미 다른 클래스를 상속받고 있는 경우 Thread 클래스를 상속받을 수 없다.

  
public class CustomThread extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": run");
    }
}

  
public class TestMain {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": main 메서드 진입");

        CustomThread thread = new CustomThread();

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": thread.run() 호출 전");
        thread.run(); // main: run()
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": thread.run() 호출 후");

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": thread.start() 호출 전");
        thread.start(); // Thread-0: run()
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": thread.start() 호출 후");

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": main 메서드 종료");
    }
}

🪄 Thread.currentThread()
해당 코드를 실행하는 스레드 객체를 조회한다.

🪄 start와 run
start()는 스레드를 실행하는 메서드이다. 해당 메서드를 호출하면 해당 스레드가 run() 메서드를 실행한다.
반드시 start()를 호출해야 별도의 스레드에서 run()이 실행된다.

run()을 직접 호출하면, 해당 스레드가 run()을 실행하는 것이 아닌,
main 스레드가 run()을 직접 실행하게 된다. 즉, main 스레드가 사용하는 스택 위에 run() 스택프레임이 올라간다.

start()를 호출해야 자바는 스레드를 위한 별도의 스택공간을 할당한다. (동시에 스레드를 시작한다.)
※ 시스템 쿼리를 통해 스레드가 os에 의해 할당된다.

start를 호출한 해당 스레드는 run 메서드 스택프레임을 스택에 올리면서 run 메서드를 시작한다.
main 메서드는 start를 호출한 스레드에게 코드의 실행을 지시만 하고, start 메서드를 바로 빠져나온다.

📕 데몬(daemon) 스레드
사용자(non-daemon, user) 스레드가 프로그램의 주요 작업을 수행한다면, 데몬스레드는 백그라운드에서 보조적인 작업을 수행한다.
모든 사용자 스레드가 종료되면, JVM도 종료되고 데몬스레드의 실행완료를 기다리지 않는다. (데몬스레드도 종료)

CustomThread thread = new CustomThread();
thread.setDaemon(true); // 데몬스레드 여부는 start() 실행전에 결정해야 한다.
thread.start();

🧶 스레드 객체 생성2 - Runnable 인터페이스 구현
스레드가 실행할 작업을 스레드로부터 분리할 수 있다.

  
public class ToDoRunnable implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": run()");
    }
}

  
public class TestMain {
    public static void main(String[] args) {
        ToDoRunnable runnable = new ToDoRunnable();
        Thread thread = new Thread(runnable);
        thread.start();
    }
}

public class TestMain2 {
    public static void main(String[] args) {
        // 익명 클래스
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": run()");
            }
        }

        Thread thread = new Thread(runnable);
        thread.start();
    }
}

public class TestMain3 {
    public static void main(String[] args) {
        // 더 간단히, 익명클래스
        Thread thread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": run()");
            }
        });
        thread.start();
    }
}

public class TestMain4 {
    public static void main(String[] args) {
        // 람다 (람다를 사용하면 메서드(코드블록)을 전달할 수 있다)
        Thread thread = new Thread(() -> System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": run()"));
        thread.start();
    }
}

⚔️ 스레드 기본정보 및 상태

🚀 내장 메서드
threadId()	스레드 고유식별자(id)
getName()	스레드 이름
getPriority()	높을수록 스케줄링에서 조금 더 많이 실행된다. (default: 5)
getThreadGroup()	스레드가 속한 그룹, default: 모든 스레드는 부모스레드와 동일한 그룹에 속하게 된다. 그룹단위로 특정작업(일괄 종료, 우선순위 설정)을 수행할 수 있다. main스레드는 기본적으로 제공되는 main 스레드 그룹에 속한다.
getState()	스레드 현재 상태

🧶 Thread.State
NEW	스레드가 생성, 시작되지 않은 상태 (start 메서드 호출 전)
RUNNABLE	스레드가 실행중 or 실행될 준비가 된 상태 (start 호출 시점) CPU에서 실행되고 있는 스레드는 모두 RUNNABLE 상태이다. (os 스케줄러의 실행대기열 포함)
BLOCKED	차단상태 스레드가 동기화 락을 기다리는 상태 (ex. synchronized 블록에 진입하기 위해 락을 얻어야 하는 경우)
WAITING	대기상태 스레드가 무기한으로 다른 스레드의 작업이 완료되기를 기다리는 상태 (wait(), join() 메서드가 호출될 때, 다른 스레드가 notify() or notifyAll()을 호출하거나 join()이 완료될 때까지 기다려야 한다.)
TIMED_WAITING	시간제한 대기상태 일정시간 동안 다른 스레드의 작업완료를 기다리는 상태 (sleep(long millis), wait(long millis), join(long millis) 메서드가 호출될 때)
TERMINATED	종료상태 ※ 스레드는 한번 종료되면 다시 시작할 수 없다.

♻️ 상태전이
From	To
RUNNABLE	BLOCKED / WAITING / TIMED WAITING
스레드가 락을 얻지 못하거나, wait() / sleep() 호출할 때
BLOCKED / WAITING / TIMED WAITING	RUNNABLE
스레드가 락을 얻거나, 기다림이 완료될 때
RUNNABLE	TERMINATED
스레드의 run() 메서드가 완료될 때

🍝 체크 예외 재정의

🍝 자바에서 메서드를 재정의할 때, 재정의 메서드가 지켜야할 예외와 관련된 규칙이 있다

🪭 부모메서드가 체크예외를 던지지 않는 경우, 재정의된 자식메서드도 체크예외를 던질 수 없다.
🪭 자식메서드는 부모메서드가 던질 수 있는 체크예외의 하위타입만 던질 수 있다.
🪭 Unchecked(런타임) 예외는 얼마든지 던질 수 있다.

  
@FunctionalInterface
public interface Runnable {

    /**
     * Runs this operation.
     */
    void run();
}

🍪 run 메서드는 해당 메서드 바깥으로 예외를 던질 수 없다.: 무조건 안에서 잡아서 해결해야 한다.
throws Exception을 선언하지 않은 이유는 바깥으로 던지는 것을 허용할 시,
예외가 적절히 처리되지 않는 수 있는 상황을 막아 프로그램이 비정상 종료되는 상황을 막기 위해서이다.
즉, 내부에서 예외처리를 강제함으로써, 스레드의 🏆 안정성과 🏆 일관성을 유지할 수 있다.
※ 단, 최근에는 체크예외를 사용하기보다는 Unchecked (런타임) 예외를 선호한다.

🔌 join(대기)와 interrupt(중단)

🔌 join (대기) 과 interrupt (중단)

🍍 join(): 호출한 스레드가 무기한 대기상태(WAITING)에 빠진다. (인자로 ms를 넘기면 특정 시간만큼만 대기, ⏱️ TIMED_WAITING)
코드 라인이 다음으로 넘어가지 않는다.
특정 스레드가 끝날 때까지 기다려야 할 때 (대상 스레드가 TERMINATED 상태가 될 때까지)
🍍 interrupt(): 인터럽트 상태를 true로 만든다. 해당 상태에서 InterruptedException을 던지는 메서드(ex. Thread.sleep())를 만날 때,
InterruptedException 예외를 던지고, 해당 스레드는 RUNNABLE 상태가 된다.
즉, WAITING, TIMED_WAITING 같은 대기상태의 스레드를 깨워서, RUNNABLE 상태로 만든다.
⚠️ flag 변수를 사용해서 스레드 작업을 중단시킬 수 있지만, 스레드가 즉각 반응할 수 없다.

인터럽트를 걸어놨다가, 인터럽트 예외를 던지는 메서드를 호출하면 해당 인터럽트 상태는 풀린다.
해당 인터럽트 상태가 자동으로 풀리는 이유는,
그렇지 않으면 이후에 인터럽트 예외를 던지는 메서드를 호출할 때 인터럽트가 발생하게 되기 때문이다.
즉, 초기에 한번 인터럽트 목적을 달성하면 자동으로 인터럽트 상태가 풀린다.

🍞 Thread.currentThread().isInterrupted() : 스레드 인터럽트 상태 확인 (상태변경x)

🍞 Thread.interrupted() (상태변경 ㅇ): 스레드가 인터럽트 상태이면 true를 반환하고, 인터럽트 상태를 false로 변경한다.
스레드가 인터럽트 상태가 아니면 false를 반환한다.

🔌 sleep(휴식)과 yield(양보)

🔌 sleep (휴식) 과 yield (양보)

🍍 Thread.sleep(ms): 해당 스레드가 ⏱️ TIME_WAITING 상태가 되면서 실행 스케줄링에서 제외된다.
때문에 다른 스레드를 실행할 수 있게되는데, 실행할 다른 스레드가 없다면 그냥 CPU는 쉰다.
🍍 Thread.yield(): 다른 스레드에게 CPU 실행을 양보한다.
해당 스레드의 상태가 바뀌진 않고 (Runnable 유지), 스케줄링 큐에 다시 들어갈 뿐이다.
Thread.yield()를 호출하는 것은 운영체제에게 스케줄링 상태를 (RUNNING -> READY)로 만들도록 힌트를 주는 것이다.
⚠️ 단, 강제로 실행순서를 지정하지 않는다. 양보할 스레드가 없다면 해당 스레드가 계속 실행된다.

⏱️ 운영체제 관점의 스케줄링
자바의 스레드가 RUNNABLE 상태일 때,
운영체제의 스케줄링은 2가지 상태를 가질 수 있다.
- 실행상태 (Running) : CPU에서 실행
- 실행대기상태 (Ready) : 스케줄링 큐에서 대기

※ 자바는 위 두 상태를 구분할 수 없다.

  
public class ThreadTestMain {
    public static void main(String[] args) {
        CustomThread custom = new CustomThread();
        Thread thread = new Thread(custom, "custom");
        thread.start();

        Scanner userInput = new Scanner(System.in);
        while(true) {
            System.out.println("작업할 문서를 입력하세요. 종료 (q): ");
            String input = userInput.nextLine();
            if(input.equals("q")) {
                thread.interrupt();
                break;
            }
            custom.addJob(input);
        }
    }

    static class CustomThread implements Runnable {
        Queue<String> jobQueue = new ConcurrentLinkedQueue<>();

        @Override
        public void run() {
            while(!Thread.interrupted()) {
                if(jobQueue.isEmpty()) {
                    Thread.yield();
                    continue;
                }

                try {
                    String job = jobQueue.poll();
                    System.out.println("작업:" + job + ", 대기작업: " + jobQueue);
                    Thread.sleep(3000);
                    System.out.println("작업 완료!");
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println("인터럽트!");
                    break;
                }
            }
            System.out.println("작업 종료");
        }

        public void addJob(String input) {
            jobQueue.offer(input);
        }
    }
}

🪄 ConcurrentLinkedQueue
여러 스레드가 동시에 접근하는 경우, 동시성 컬렉션을 사용해야 한다.

자바8

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