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Last Modified 2015.5.26

스레드

프로그램은 위에서 아래로 왼쪽에서 오른쪽으로 순차적으로 실행된다. 처리되는 코드를 연필로 따라 그리면 실타래처럼 보인다. 그래서 프로그램의 실행 흐름을 스레드라 한다. 지금까지 우리는 실이 한 가닥인 단일 스레드 프로그램만을 보아 왔다. 이번 과정은 실타래가 2가닥 이상인(멀티 스레드) 프로그램을 만드는 방법을 소개한다.

멀티 스레드 프로그램을 만드는 방법

  1. Thread 클래스를 상속
  2. Runnable 인터페이스를 구현

단일 스레드 프로그램과 멀티 스레드 프로그램의 비교

단일 스레드 예제

SingleThread.java
package net.java_school.thread.test;

public class SingleThread {
	
	public void doA() {
		char[] alphabet = {'A','B','C','D','E','F','G','H','I','J'};
		int length = alphabet.length;
		for ( int i=0; i < length; i++ ) {
			System.out.print(alphabet[i]);
		}
	}

	public void doB() {
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			System.out.print(i);
		}
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		SingleThread st = new SingleThread();
		st.doA();
		st.doB();
	}

}

doA() 와 doB()는 같은 스레드에서 실행된다. 따라서 호출된 순서인 doA()가 끝난 후 doB()가 실행된다.

멀티 스레드 예제

방금 한 예제를 멀티 스레드 예제로 바꾸어 본다.

Thread 클래스를 상속하여 만드는 멀티 스레드 프로그램

doA()와 doB()가 각각 다른 스레드에서 실행하게 구현하자. Thread를 상속하는 방법을 택했는데 객체 생성 후 start() 메서드를 호출하면 다른 스레드가 생성되고 doA()는 새로 생긴 스레드에서 실행되게 된다.

MultiThread1.java
package net.java_school.thread.test;

public class MultiThread1 extends Thread {

	public void doA() {
		char[] alphabet = {'A','B','C','D','E','F','G','H','I','J'};
		int length = alphabet.length;
		for ( int i = 0; i < length; i++ ) {
			System.out.print(alphabet[i]);
			try {
				// 테스트가 되기 위해 0.01초 쉬어 다른 쓰레드가 제어권을 갖도록 한다.
				Thread.sleep(10);
			} catch (InterruptedException e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
	
	public void doB() {
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			System.out.print(i);
			try {
				// 테스트가 되기 위해 0.01초 쉬어 다른 쓰레드가 제어권을 갖도록 한다.
				Thread.sleep(10);
			} catch (InterruptedException e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}

	public void run() {
		doA();
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		MultiThread1 mt1 = new MultiThread1();
		mt1.start();
		mt1.doB();
	}
}

Runnable 인터페이스를 구현하여 만드는 멀티 스레드 프로그램

강조된 부분은 메인 메서드에서 자신 자신의 객체를 생성하고 Runnable 인터페이스 타입의 레퍼런스를 인자 값으로 받는 Thread 생성자에 호출하여 자기 자신의 레퍼런스를 전달하고 있다.

MultiThread2.java
package net.java_school.thread.test;

public class MultiThread2 implements Runnable {

	public void doA() {
		char[] alphabet = {'A','B','C','D','E','F','G','H','I','J'};
		int length = alphabet.length;
		for ( int i = 0; i < length; i++ ) {
			System.out.print(alphabet[i]);
			
			try {
				// 테스트가 되기 위해 0.01초 쉬어 다른 쓰레드가 제어권을 갖도록 한다.
				Thread.sleep(10);
			} catch (InterruptedException e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			}
		}
		
	}
	
	public void doB() {
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			System.out.print(i);
			
			try {
				// 테스트가 되기 위해 0.01초 쉬어 다른 쓰레드가 제어권을 갖도록 한다.
				Thread.sleep(10);
			} catch (InterruptedException e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
	
	public void run() {
		doA();
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		MultiThread2 mt2 = new MultiThread2();
		Thread t = new Thread(mt2);
		t.start();
		mt2.doB();
	}
}

임계 영역(Critical Section) 테스트

임계 영역이란 공유된 자원을 접근하는 코드 부분을 말한다. 임계 영역을 제대로 다루지 않을 경우 발생하는 문제점을 예제를 통해 살펴보려 한다. 은행 예제에서 NormalAccount의 withdraw() 메서드를 아래와 같이 변경한다. 변경하는 이유는 일반 계좌의 잔고가 마이너스가 되는 확률을 높이기 위해서다.

@Override
public void withdraw(long amount)  {
	try {
		Thread.sleep(5);
	} catch (InterruptedException e) {
		e.printStackTrace();
	}
	
	if (amount <= balance) {
		Transaction transaction = new Transaction();
		Calendar cal = Calendar.getInstance();
		Date date = cal.getTime();
		transaction.setTransactionDate(Account.DATE_FORMAT.format(date));
		transaction.setTransactionTime(Account.TIME_FORMAT.format(date));
		transaction.setAmount(amount);
		transaction.setKind(Account.WITHDRAW);
		balance = balance - amount;
		transaction.setBalance(this.balance);
		transactions.add(transaction);
	} else {
		throw new InsufficientBalanceException("잔고가 부족합니다.");	
	}
	
}

테스트를 위한 클래스를 작성한다.

package net.java_school.bank;

public class ThreadTest extends Thread {
	private Bank bank = new ShinhanBank();
	private Account account;
	
	public ThreadTest() {
		bank.addAccount("101", "홍길동", Account.NORMAL);
		account = bank.getAccount("101");
		account.deposit(1000);
	}
	
	public void withdrawTest() {
		int i = 0;
		do {
			i++;
			try {
				account.withdraw(100);
			} catch (InsufficientBalanceException e) {}

			try {
				Thread.sleep(10);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		} while (i < 100);

	}

	public void run() {
		withdrawTest();
	}
	
	public static void main(String[] args){
		ThreadTest t = new ThreadTest();
		t.start();
		t.withdrawTest();
		Account account = t.bank.getAccount("101");
		System.out.println(account);
	}
}

여러 번 테스트해 보면 일반 계좌에서 잔고가 마이너스가 되는 경우가 생긴다.

C:\ Command Prompt
C:\java\Bank\bin>java net.java_school.bank.ThreadTest
101|홍길동|0|일반
C:\java\Bank\bin>java net.java_school.bank.ThreadTest
101|홍길동|0|일반
C:\java\Bank\bin>java net.java_school.bank.ThreadTest
101|홍길동|0|일반
C:\java\Bank\bin>java net.java_school.bank.ThreadTest
101|홍길동|-100|일반

이런 문제가 발생하는 원인은 아래 그림과 같이 스레드가 진행하기 때문이다. 이 그림은 첫 번째 스레드가 잔고를 수정하기 전에 두번째 스레드가 출금액과 잔고를 비교하는 로직을 통과하여 문제를 발생한다는 예를 보여주고 있다. 문제점을 해결하기 위해서 withdraw() 메서드에 synchronized 키워드를 적용한다. 메서드에 synchronized를 적용하면 메서드에 진입한 스레드가 메서드 밖으로 나갈 때까지 다른 스레드가 진입하지 못한다.

@Override
public synchronized void withdraw(long amount)  {
	.. 기존 코드와 같다 ..
}

여러 번 테스트해 보고 더 이상 일반 계좌의 잔고가 마이너스가 되는 경우가 생기지 않음을 확인한다. 아래 그림과 같이 첫 번째 진입한 스레드가 메서드 밖으로 나갈 때까지 두 번째 스레드는 메서드에 진입하지 못한다. 그림은 첫 번째 스레드가 임계영역에 들어왔고 두번째 스레드가 임계영역 바로 앞까지 진행된다. 그림은 첫 번째 스레드가 임계영역에서 거의 통과하고 있는데 두번째 스레드는 아직 임계영역에 진입하지 못함을 보여준다. 그림은 첫 번째 스레드가 임계영역을 막 통과하기 전이고 두번째 스레드는 아직 임계영역에 진입하지 못함을 보여준다. 첫 번째 스레드가 메서드 밖으로 나가면 대기하고 있던 스레드가 메서드에 진입하게 된다. 그림은 첫 번째 스레드가 임계영역을 통과했고 이제야 두번째 스레드가 임계영역에 진입한다. withdraw() 메서드를 아래와 같이 되돌려 놓는다.

@Override
public synchronized void withdraw(long amount)  {
	if (amount > balance) {
		throw new InsufficientBalanceException("잔고가 부족합니다.");	
	}
	balance = balance - amount;
	Transaction transaction = new Transaction();
	Calendar cal = Calendar.getInstance();
	Date date = cal.getTime();
	transaction.setTransactionDate(Account.DATE_FORMAT.format(date));
	transaction.setTransactionTime(Account.TIME_FORMAT.format(date));
	transaction.setAmount(amount);
	transaction.setKind(Account.WITHDRAW);
	transaction.setBalance(this.balance);
	transactions.add(transaction);
}

deposit() 메서드에도 synchronized 키워드를 적용한다.

public synchronized void deposit(long amount) {
	//.. 기존 코드와 같다..
}

컬렉션에서 Vector는 '스레드 안전' 한데 ArrayList는 그렇지 않다고 했다. Vector의 모든 메서드는 synchronize가 적용되어 있다.