S12L01 - 멀티스레딩 개요

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Threads와 Concurrency 마스터하기: Multi-Threaded Programming을 위한 포괄적인 가이드
목차

소개
프로세스 및 Threads 이해하기

프로세스란 무엇인가?
Thread란 무엇인가?

컴퓨팅에서의 Concurrency
하드웨어 관점: Sockets, Cores, 그리고 Logical Processors
Thread Lifecycle 및 상태

New State
Runnable State
Running State
Blocked/Waiting State
Terminated State

Java에서의 Multi-Threaded Programming

새 Thread 생성하기
Thread 시작하기
Thread 메서드: sleep(), wait(), 그리고 yield()
예시: 단순 Thread 구현

Multi-Threaded Applications의 장단점
Threads를 언제 그리고 어디서 사용할까
비교: Processes vs Threads
결론
보충 정보

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소개
소프트웨어 개발 영역에서, threads와 concurrency를 이해하는 것은 효율적이고 반응성이 뛰어난 애플리케이션을 만드는 데 필수적입니다. 애플리케이션의 복잡성과 요구가 증가함에 따라, 하드웨어의 능력을 완전히 활용하기 위해 멀티-Threaded 프로그래밍을 활용하는 것이 필수적이 됩니다. 이 가이드는 threads와 concurrency의 복잡한 내용을 파고들어, 초보자와 기본 지식을 가진 개발자에게 명확하고 간결한 개요를 제공합니다.
Threads와 Concurrency의 중요성

성능 향상: 다수의 threads를 활용하면 작업을 병렬화하여 애플리케이션의 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.
자원 최적화: 효율적인 concurrency는 CPU cores와 logical processors의 최적 사용을 보장합니다.
반응성 향상: Multi-threaded 애플리케이션은 작업을 비동기적으로 처리하여 반응성을 유지합니다.

장단점


장점
단점


애플리케이션 성능 향상
디버깅의 복잡성 증가


자원 활용도 향상
경쟁 상태와 교착 상태의 가능성


사용자 경험 향상
세심한 thread 관리 필요


Threads를 언제 그리고 어디서 사용할까

Web Servers: 동시에 여러 클라이언트 요청을 처리합니다.
GUI Applications: 백그라운드 작업을 수행하는 동안 반응성을 유지합니다.
Real-Time Systems: 엄격한 타이밍 제약 조건을 가진 동시 운영을 관리합니다.

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프로세스 및 Threads 이해하기
프로세스란 무엇인가?
컴퓨터에서 실행 중인 프로그램의 인스턴스는 process입니다. process는 프로그램 코드와 현재 활동을 포함하며, 여기에는 프로그램 카운터, 레지스터, 변수 등이 포함됩니다. process들은 서로 격리되어 있어, 하나의 process가 다른 process에 직접 간섭할 수 없도록 보장합니다.
Thread란 무엇인가?
thread는 process 내에서 실행의 가장 작은 단위입니다. 동일한 process 내의 threads는 동일한 메모리 공간을 공유하여 효율적인 통신 및 데이터 공유가 가능합니다. processes와 달리, threads는 경량이며 오버헤드가 적습니다.
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컴퓨팅에서의 Concurrency
Concurrency는 시스템이 여러 작업을 동시에 처리할 수 있는 능력을 의미합니다. 이는 다수의 threads 또는 processes의 실행을 관리하여, 서로를 기다리지 않고 진행할 수 있도록 합니다. Concurrency는 자원 활용을 최적화하고 애플리케이션 성능을 향상시키는 데 필수적입니다.
하드웨어 관점: Sockets, Cores, 그리고 Logical Processors
하드웨어 측면을 이해하는 것은 threads와 concurrency가 어떻게 작동하는지 파악하는 데 중요합니다.

Sockets: 메인보드의 물리적 CPU 소켓을 나타냅니다. 각 소켓에는 하나 이상의 프로세서가 들어갈 수 있습니다.



측면
설명


Sockets
메인보드의 물리적 CPU 슬롯입니다.


Cores
CPU 내의 개별 처리 단위입니다.


Logical Processors
각 코어에 의해 관리되는 threads로, 종종 Hyper-Threading과 같은 기술을 활용합니다.



Cores: 현대 프로세서는 다수의 cores를 가지고 있어, 여러 작업을 동시에 처리할 수 있습니다. 예를 들어, Intel i7 프로세서는 6개의 cores를 가질 수 있습니다.
Logical Processors: 각 core는 다수의 threads를 처리할 수 있어, CPU가 동시에 관리할 수 있는 작업 수를 효과적으로 늘립니다. 예를 들어, Hyper-Threading을 갖춘 6-core 프로세서는 12개의 logical processors를 처리할 수 있습니다.

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Thread Lifecycle 및 상태
thread lifecycle를 이해하는 것은 효과적인 멀티-Threaded 프로그래밍을 위해 필수적입니다. threads는 실행 도중 다양한 상태를 전환합니다.
New State
new Thread()와 같은 구문을 사용하여 thread가 생성되면, 그것은 New 상태에 들어갑니다. 이 시점에서 thread는 인스턴스화되었지만 아직 시작되지 않았습니다.
Runnable State
start() 메서드가 호출되면, thread는 Runnable 상태로 이동합니다. 이 상태에서 thread는 실행 준비가 되었으며 CPU 스케줄링을 기다리고 있습니다.
Running State
thread scheduler가 CPU 시간을 thread에 할당할 때, thread는 Running 상태에 들어갑니다. 이 곳에서 thread는 적극적으로 작업을 실행하고 있습니다.
Blocked/Waiting State
threads는 I/O 작업을 기다리거나, 동기화 잠금 또는 특정 조건이 충족되기를 기다리는 등 여러 이유로 Blocked 또는 Waiting 상태에 들어갈 수 있습니다. sleep(), wait(), yield()와 같은 메서드는 threads를 이러한 상태로 전환할 수 있습니다.
Terminated State
실행을 완료하거나 오류로 인해 조기에 종료되면, thread는 Terminated 또는 Dead 상태에 들어갑니다. 한 번 종료된 thread는 다시 시작할 수 없습니다.
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Java에서의 Multi-Threaded Programming
Java는 멀티-Threaded 프로그래밍에 대한 강력한 지원을 제공하여, 개발자들이 효율적이고 반응성이 뛰어난 애플리케이션을 만들 수 있게 합니다.
새 Thread 생성하기
Java에서 새 thread를 생성하려면, 다음 중 하나를 선택할 수 있습니다:

Thread 클래스 확장하기:





		
		
			
			
Java
			
			public class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        // Task to be performed
    }
}
			
				
					
				
					1
2
3
4
5
				
						public class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        // Task to be performed
    }
}
					
				
			
		



Runnable 인터페이스 구현하기:





		
		
			
			
Java
			
			public class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        // Task to be performed
    }
}
			
				
					
				
					1
2
3
4
5
				
						public class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        // Task to be performed
    }
}
					
				
			
		


Thread 시작하기
thread가 생성된 후, Runnable 상태로 들어가기 위해 thread를 시작해야 합니다.




		
		
			
			
Java
			
			// Using Thread class
MyThread thread = new MyThread();
thread.start();

// Using Runnable interface
Thread thread = new Thread(new MyRunnable());
thread.start();
			
				
					
				
					1
2
3
4
5
6
7
				
						// Using Thread class
MyThread thread = new MyThread();
thread.start();
 
// Using Runnable interface
Thread thread = new Thread(new MyRunnable());
thread.start();
					
				
			
		


Thread 메서드: sleep(), wait(), 그리고 yield()

sleep(long millis): thread를 지정된 기간 동안 일시 중지시킵니다.





		
		
			
			
Java
			
			try {
    Thread.sleep(1000); // Sleep for 1 second
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
}
			
				
					
				
					1
2
3
4
5
				
						try {
    Thread.sleep(1000); // Sleep for 1 second
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
}
					
				
			
		



wait(): 현재 thread가 동일한 객체에서 다른 thread가 notify() 또는 notifyAll()을 호출할 때까지 기다리게 합니다.





		
		
			
			
Java
			
			synchronized (object) {
    try {
        object.wait();
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}
			
				
					
				
					1
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5
6
7
				
						synchronized (object) {
    try {
        object.wait();
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}
					
				
			
		



yield(): thread scheduler에게 현재 thread가 프로세서의 현재 사용을 양보하려는 의향이 있음을 제안합니다.





		
		
			
			
Java
			
			Thread.yield();
			
				
					
				
					1
				
						Thread.yield();
					
				
			
		


예시: 단순 Thread 구현
아래는 Java에서 단순 thread를 생성하고 실행하는 단계별 예시입니다.




		
		
			
			
Java
			
			public class SimpleThreadExample extends Thread {
    public void run() {
        System.out.println("Thread is running.");
    }

    public static void main(String[] args) {
        SimpleThreadExample thread = new SimpleThreadExample();
        thread.start(); // Moves thread to Runnable state
    }
}
			
				
					
				
					1
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9
10
				
						public class SimpleThreadExample extends Thread {
    public void run() {
        System.out.println("Thread is running.");
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        SimpleThreadExample thread = new SimpleThreadExample();
        thread.start(); // Moves thread to Runnable state
    }
}
					
				
			
		


설명:

Thread 생성하기: SimpleThreadExample의 인스턴스가 생성됩니다.
Thread 시작하기: thread.start()를 호출하면 thread가 Runnable 상태로 전환됩니다.
Thread 실행하기: run() 메서드가 실행되어 "Thread is running."을 출력합니다.

출력:




		
		
			
			
Java
			
			Thread is running.
			
				
					
				
					1
				
						Thread is running.
					
				
			
		


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Multi-Threaded Applications의 장단점
장점

성능 향상: 여러 threads를 동시에 실행함으로써 애플리케이션은 작업을 더 빠르게 수행할 수 있습니다.
자원 활용도 향상: CPU cores와 logical processors를 효율적으로 사용하여 하드웨어 능력을 최대화합니다.
반응성 개선: 백그라운드 작업을 수행하는 동안 애플리케이션은 사용자 입력에 반응성을 유지합니다.

단점

복잡성: 다수의 threads를 관리하는 것은 코드 구조와 로직에서 복잡성을 유발할 수 있습니다.
디버깅의 어려움: 경쟁 조건과 교착 상태와 같은 문제는 진단하고 수정하기 어려울 수 있습니다.
자원 오버헤드: 너무 많은 threads를 생성하면 메모리와 프로세서 사용량 증가로 이어질 수 있습니다.

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Threads를 언제 그리고 어디서 사용할까
threads는 작업 간에 큰 의존성 없이 동시 실행될 수 있는 시나리오에서 이상적입니다. 일반적인 사용 사례는 다음과 같습니다:

Web Servers: 응답 시간을 개선하기 위해 다수의 클라이언트 요청을 동시 처리합니다.
Graphical User Interfaces (GUIs): 인터페이스를 멈추지 않고 백그라운드 작업을 수행합니다.
Real-Time Data Processing: 모니터링 및 분석과 같은 작업을 위해 동시 데이터 스트림을 관리합니다.
Games and Simulations: 렌더링, 물리 계산, AI를 위한 병렬 프로세스를 실행합니다.

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비교: Processes vs Threads
processes와 threads 간의 차이를 이해하는 것은 효과적인 프로그래밍을 위해 중요합니다.


특징
Process
Thread


정의
고유한 메모리 공간을 가진 독립적인 실행 단위
프로세스 내에서 가장 작은 실행 단위로, 다른 threads와 메모리를 공유


메모리
별도의 메모리 공간
공유 메모리 공간


통신
프로세스 간 통신(IPC)이 필요
공유 메모리를 통한 직접 통신


오버헤드
별도의 메모리 및 자원 때문에 높음
threads가 자원을 공유하므로 낮음


생성 시간
자원 할당 때문에 더 긴 생성 시간
자원이 공유되어 더 빠른 생성


격리성
Processes는 서로 격리됨
Threads는 격리되지 않아 동기화 문제 가능성


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결론
threads와 concurrency를 마스터하는 것은 효율적이고 고성능의 애플리케이션을 개발하는 데 필수적입니다. 멀티-Threaded 프로그래밍을 활용함으로써, 개발자들은 자원 활용도를 최적화하고, 애플리케이션의 반응성을 향상시키며, 현대의 멀티-core 프로세서를 최대한 활용할 수 있습니다. threads는 복잡성을 도입하지만, 그들의 lifecycle, 상태, 그리고 모범 사례를 이해함으로써 도전을 완화하고, 견고하고 확장 가능한 소프트웨어 솔루션으로 이어질 수 있습니다.
Keywords: threads, concurrency, multi-threaded programming, processes, Java threads, thread lifecycle, runnable state, running state, blocked state, terminated state, multi-core processors, logical processors, Java concurrency, thread synchronization, thread management
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보충 정보
데이터 표
Processes와 Threads 간의 비교


특징
Process
Thread


메모리 공간
별도
동일한 process 내에서 공유


통신
IPC 메커니즘 필요
공유 메모리를 통한 직접 접근


자원 사용량
별도의 메모리와 자원으로 인해 높음
낮은 오버헤드, 공유 자원


실행
독립적인 실행 단위
부모 process에 의존


생성 시간
자원 할당 때문에 더 긴 생성 시간
자원이 공유되어 더 빠른 생성


Logical Processors와 Cores


하드웨어 구성 요소
설명


Socket
메인보드의 물리적 CPU 슬롯


Core
CPU 소켓 내의 독립적인 처리 단위


Logical Processor
하나의 core에 의해 관리되는 thread (예: Hyper-Threading을 통해)




프로세서
Sockets
Socket당 Cores
Logical Processors


Intel i7 9th Gen
1
6
12


추가 자료

Threads에 대한 Java 문서: Oracle Java Threads
Brian Goetz의 Concurrency in Practice: Java concurrency에 대한 종합적인 책입니다.
공식 Task Manager 가이드: 다양한 운영 체제에서 process와 threads를 모니터링하는 방법을 배웁니다.

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참고: 이 기사는 AI에 의해 생성되었습니다.

장점	단점
애플리케이션 성능 향상	디버깅의 복잡성 증가
자원 활용도 향상	경쟁 상태와 교착 상태의 가능성
사용자 경험 향상	세심한 thread 관리 필요

측면	설명
Sockets	메인보드의 물리적 CPU 슬롯입니다.
Cores	CPU 내의 개별 처리 단위입니다.
Logical Processors	각 코어에 의해 관리되는 threads로, 종종 Hyper-Threading과 같은 기술을 활용합니다.

특징	Process	Thread
정의	고유한 메모리 공간을 가진 독립적인 실행 단위	프로세스 내에서 가장 작은 실행 단위로, 다른 threads와 메모리를 공유
메모리	별도의 메모리 공간	공유 메모리 공간
통신	프로세스 간 통신(IPC)이 필요	공유 메모리를 통한 직접 통신
오버헤드	별도의 메모리 및 자원 때문에 높음	threads가 자원을 공유하므로 낮음
생성 시간	자원 할당 때문에 더 긴 생성 시간	자원이 공유되어 더 빠른 생성
격리성	Processes는 서로 격리됨	Threads는 격리되지 않아 동기화 문제 가능성

특징	Process	Thread
메모리 공간	별도	동일한 process 내에서 공유
통신	IPC 메커니즘 필요	공유 메모리를 통한 직접 접근
자원 사용량	별도의 메모리와 자원으로 인해 높음	낮은 오버헤드, 공유 자원
실행	독립적인 실행 단위	부모 process에 의존
생성 시간	자원 할당 때문에 더 긴 생성 시간	자원이 공유되어 더 빠른 생성

하드웨어 구성 요소	설명
Socket	메인보드의 물리적 CPU 슬롯
Core	CPU 소켓 내의 독립적인 처리 단위
Logical Processor	하나의 core에 의해 관리되는 thread (예: Hyper-Threading을 통해)