Java - Thread

Thread

1. 프로세스(Process)
   -운영체제(OS)로 부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위

   • 실행되고 있는 프로그램(프로그램과 프로세스의 차이)
     • 프로그램은 코드와 정적인 데이터의 묶음
   • Code, Data, Stack, Heap 할당

2. 쓰레드(Thread)

   • 프로세스 내에서 실행되는 작업의 최소 단위
   • Code, Data, Heap 영역은 공유 / Stack은 각 각 할당

Thread 구현

1. extends Thread

   • Thread Class를 상속받아 하위 Thread 클래스를 생성

   class myThread extends Thread{
      public void run(){
          // 실행 코드
      }
   }
   class Test{
      public static void main(String[] args){
          Thread thread = new myThread();
          thread.start();
      }     
   }

2. implements Runnable

   • Runnable Interface를 구현하는 방법

     class myThread implements Runnable{
       public void run(){
        // 실행 코드
       }
   }
   class Test{
      public static void main(String[] args){
          Thread thread = new Thread(new myThread());
          thread.start();
      }     
   }   

Multi-Thread 프로그래밍

• 동시에 여러 개의 Thread가 수행되는 프로그래밍
  • 동시성(Concurrency): 멀티 작업을 위해서 하나의 코어에서 Multi Thread가 번갈아가며 실행하는 성질
  • 병렬성(Parallelism): 멀티 작업을 위해 멀티 코어에서 개별 Thread를 동시에 실행하는 성질
• Thread는 각각의 작업공간(Context)을 가짐
  • Thread가 Switching이 되면, Context Switching이 발생
• 공유 자원이 있는 경우, Race Condition이 발생
• Critical Section에 대한 동기화(Synchronization)의 구현이 필요

Thread 상태

• NEW : 쓰레드 객체 생성
• RUNNABLE : 실행 대기
• RUN : 실행
• WAITING : 일시 정지
• TIMED_WAITING : 주어진 시간 동안 일시정지
• BLOCKED : 동기화 블록에서 Lock이 된 상태
• TERMINATED : 종료

Thread Method

• start() : Thread 실행(정확히는 실행 대기 상태로 만든다)
• yield() : 실행 중에 우선순위가 동일한 다른 Thread에게 양보하고 실행 대기 상태로 전환
• sleep() : 주어진 시간 동안 Thread는 일시 정지가 되고, 주어진 시간 후 실행 대기 상태로 전환
• join() : join() 메소드를 호출한 Thread는 일시 정지되며, join()이 가리킨 Thread가 종료되거나, 주어진 시간이 끝나야 실행되기 상태가 된다.
• wait() : 동기화 블록 내에서 스레드를 일시 정지 상태로 만든다.
  • 주어진 시간이 지나면 실행대기 상태로 전환
  • 시간이 주어지지 않는 경우, notify(), notifyAll()에 의해 일시 정지 상태에 있는 Thread를 실행대기 상태로 전환
• notify(), notifyAll() : 동기화 블록 내에서 wait()에 의해 일시 정지 상태에 있는 Thread를 실행대기 상태로 전환
  • notify() 보다는 nofityAll()을 사용하는 것이 scheduler에 CPU를 점유하는 것이 좀 더 공평하다고 본다.
• interrupt() : 일시 정지 상태의 Thread에서 InterruptedException 예외를 발생시켜, 예외처리 코드(catch)에서 실행 대기 상태로 가거나 종료 상태로 갈 수 있도록 한다.

 

Thread가 RUN 또는 RUNNABLE 상태일 때, interrupt를 발생시키면 미래에 Thread가 일시 정지 상태가 되면 InterruptedException 예외 발생

그렇기 때문에 일시 정지가 아닐 때는 다른 방법을 사용해야 되는데, STOP 플래그 or isInterrupted() or interrupted()를 이용하는 방법이 있다.

 

Critical Section & Synchronization

• Critical Section : 두 개 이상의 Thread가 동시에 접근하게 되는 리소스 영역
• Synchronization : Critical Section에 여러 Thread가 접근하는 경우, 하나의 Thread가 수행하는 동안 공유 자원을 Lock을 걸어 다른 Thraed의 접근을 막을 수 있다.

 

Synchronization을 잘못 구현하면 Deadlock에 빠질 수 있다.

 

Synchronization 구현 방법

• synchronized 수행문과 synchronized 메소드를 이용하는 방법이 있다.

  • synchronized 수행문 : object에 해당되는 객체에 locak을 건다.

  class SynchronizedTest{
    public static void main(String[] args){ 
        Object object = new Object();
        synchronized (object){  // object에는 공유할 자원을 넣는다.
          // 실행 코드
      }
    } 
  }

  • synchronized 메소드 : 현재 이 메소드가 속해 있는 객체에 Lock을 건다.

  public synchronized void method(){
    // Critical Section
    // synchronized 메소드 내에서 다른 synchronized 메소드를 호출하지 않는다(Deadlock 방지)
  }

 

DeadLock

• 교착 상태란 하나 또는 둘 이상의 프로세스가 자원을 할당 및 해제할 수 없는 자원을 계속 기다리는 상태.
• 교착 상태 발생의 필요조건은 아래와 같다. 교착 상태가 발생하는 경우, 해당 조건은 항상 만족한다는 의미지, 조건이 만족한다고 해서 항상 발생하는 것이 아니다.

 

Deadlock Necessary Condition(교착 상태 발생의 필요조건)

1. Mutual Exclusion(상호 배제)

   • At least one resource must be held in a non-sharable way.
   • 하나의 공유 자원을 다른 프로세스들과 공유하지 않고, 자기만 사용하는 경우

2. Hold and Wait(점유와 대기)

   • A process must be holding a resource and waiting for another.
   • 하나의 프로세스가 하나의 공유 자원을 사용하는 도중 다른 공유 자원을 사용을 대기하는 경우

3. No Preemption(비선점)

   • Resource cannot be preempted.
   • Resource를 프로세스로부터 도중에 해체가 되지 않는 경우

4. Circular Wait(환형 대기)

   • A waits for B, B waits for C, C waits for A
   • 영어 그래도 생각하면 된다. A가 B를 기다리고, B는 C를, C는 A를 기다리는 경우

• Example 

 

Deadlock을 피하는 방법

1. Prevention

   • Ensure that the system will never enter a deadlock state
   • Deadlocks can be prevented by preventing at least one of the four required conditions
   • 교착 상태의 필요조건을 부정함으로써 교착 상태가 발생하지 않도록 미리 예방

   우선순위, All or Nothing 등을 이용, 하지만 복잡함 등으로 사용하지 않는다.

2. Avoidance

   • Ensure that the system will never enter an unsafe state
   • 교착 상태 가능성을 배제하지 않고, 적절히 피해나가는 방법

   Safe sequence가 있는 경우, Resource를 할당한다. Safe sequence를 찾는 방법은 아래와 같다.

   • Resource-Allocation Graph(자원 할당 그래프)
   • Banker's Algorithm(은행가의 알고리즘)
     1. Safety Algorithm(Banker's Algorithm)
     2. Resource Request Algorithm(Banker's Algorithm)

3. Detection and Recovery

   • Allow the system to enter a deadlock state and then recover
   • 교착 상태를 허용하고, 교착 상태가 감지되면 프로세스를 중단하거나 일부 리소스를 선점하여 회복하는 방법

   Deadlock이 발생했는지 검사하려고 하는 검사 알고리즘이 필요하며, 최소 비용으로 중지시키거나 빼앗는 방법을 찾아야 한다(희생자 선택의 원칙)

   • Deadlock Detection Algorithm(Safety Algorithm과 비슷)
   • Recovery
     1. Abort one or more Processes
     2. Preempt some resources

4. Do Nothing

   • Ignore the problem and let the user or system administrator respond to the problem; used by most operating systems, including Windows and UNIX
   • 교착 상태가 1년에 한 번 정도만 발생하는 경우, 다른 방법들을 통한 Overhead 및 시스템 성능 저하를 발생시키는 것보다 교착 상태가 발생하도록 하고 필요에 따라 재부팅하는 것이 더 나을 수 있다는 방식

reference

• https://jhnyang.tistory.com/3
• https://jhnyang.tistory.com/4?category=815411
• https://www.cs.uic.edu/~jbell/CourseNotes/OperatingSystems/7_Deadlocks.html
• http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=and_lamyland&logNo=221198568729