Thread

스레드란?

스레드는 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 작업 단위입니다. 하나의 프로세스는 여러 개의 스레드를 가질 수 있고, 각 스레드는 독립적인 실행 흐름을 가집니다. 스레드는 코드, 데이터, 힙을 스레드끼리 공유합니다. 그 외의 영역은 각각 생성됩니다.

스레드의 주요 특징

  • 독립적인 실행 흐름: 스레드는 독립적으로 실행됩니다.
  • 자원 공유: 같은 프로세스 내의 스레드들은 메모리 공간(Code, Static data, Heap)을 공유합니다.
  • 경량 프로세스: 스레드는 프로세스보다 생성 및 관리 비용이 적습니다.
  • *컨텍스트 스위칭(Context Switching): CPU가 여러 스레드 간에 작업을 전환할 수 있습니다.

```plain text *컨텍스트 스위칭(Context Swtiching)

  • CPU가 현재 실행 중인 작업(프로세스 혹은 스레드)의 상태(레지스터, 프로그램 카운터 등)를 저장하고, 새로운 작업의 상태를 로드하여 실행 흐름을 전환하는 과정을 의미합니다.

스레드와 컨텍스트 스위칭의 관계

  • 스케줄러가 한 스레드를 멈추고 다른 스레드를 실행시킬 때, 이전 스레드의 상태(레지스터, 프로그램 카운터 등)를 저장하고, 새 스레드의 상태를 복원하는 Context Switching이 일어납니다.

  • 스레드끼리는 주소 공간을 공유하기에 프로세스 간 전환보다 Context Switching 비용이 작을 수 있지만, 여전히 레지스터나 스택 포인터 등을 저장·복원해야 하므로 오버헤드가 전혀 없지는 않습니다. ```

스레드의 구성 요소

  • 스레드 ID
  • 프로그램 카운터 (PC)
  • 레지스터 집합: CPU가 사용 중인 레지스터 상태(PC, Stack Pointer, 일반 register 등)는 스레드마다 달라집니다.
  • 스택: 스레드는 각각 고유한 스택을 가집니다. 지역변수, 함수 호출 기록(call stack) 등이 저장됩니다.

Multithreading

멀티스레딩이란?

하나의 프로세스 내에서 여러 개의 스레드를 동시에 실행하는 기술입니다. CPU의 사용률을 극대화하고 프로그램의 효율성을 높이기 위해 사용됩니다.

멀티스레딩의 주요 특징

  • 동시성
    • 두 개 이상의 스레드가 “거의 동시에” 실행되는 느낌을 줍니다.
    • 실제 싱글 코어 환경에서는 빠른 스위칭, 멀티코어 환경에서는 물리적 병렬 처리로 인해 출력이 뒤섞여 나옵니다.
  • 비결정적 출력 순서
    • 실행할 때마다 콘솔에 찍히는 순서가 달라질 수 있습니다. 이는 스케줄러가 각 스레드에 CPU를 할당하는 시점이 매번 다르기 때문입니다.
  • 스레드 간 독립적 실행 흐름
    • 각 스레드는 자신만의 for 루프를 진행하면서, 독립적으로 index를 증가시킵니다.
    • 이 때, 공유 자원을 건드리지 않으므로 동기화 이슈가 발생하지 않지만 만약 공유 자원을 쓰게 된다면 동기화가 필요해집니다.
  • 메인 스레드
    • main() 메서드를 실행하는 것이 ‘메인 스레드’인데, t1.join()과 t2.join()을 통해 나머지 스레드가 종료될 때까지 기다렸다가 “Main thread finished”를 출력합니다.
    • 만약 join()을 사용하지 않으면, 메인 스레드가 먼저 종료된 뒤에도 다른 스레드가 뒤이어 계속 동작할 수도 있습니다.

멀티스레딩의 자바 코드

  • 코드 ```java class MyThread extends Thread { private final String threadName;

    public MyThread(String name) { this.threadName = name; }

    @Override public void run() { // 스레드가 실제로 동작하고 있음을 확인하기 위해 숫자를 반복 출력 for (int i = 0; i < 5; i++) { System.out.println(threadName + “ : “ + i); try { // 다른 스레드에게 CPU 사용 기회를 주기 위해 잠시 대기 Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } System.out.println(threadName + “ finished”); } }

public class MultiThreadDemo { public static void main(String[] args) { MyThread t1 = new MyThread(“Thread-A”); MyThread t2 = new MyThread(“Thread-B”);

    // 스레드 시작
    t1.start();
    t2.start();

    // 메인 스레드는 두 스레드가 끝날 때까지 대기
    try {
        t1.join();
        t2.join();
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }

    System.out.println("Main thread finished");
} } ```
  • 실행 결과 예시

⚠️ 실행 순서는 매번 달라집니다. ⚠️

Thread-A : 0
Thread-A : 1
Thread-B : 0
Thread-A : 2
Thread-B : 1
Thread-A : 3
Thread-B : 2
Thread-B : 3
Thread-A : 4
Thread-B : 4
Thread-A finished
Thread-B finished
Main thread finished

멀티스레딩의 장단점

장점

  • 병렬 처리: 여러 작업을 동시에 실행하여 성능을 개선합니다.
  • 자원 공유: 동일한 프로세스 안에서 동작하므로, 메모리 공간을 공유하여 메모리 사용을 절감합니다.
  • 응답성 개선: 하나의 스레드가 중단(blocked) 되어도 다른 스레드가 실행(running)할 수 있습니다.

    단점

  • 동기화 문제: 공유 자원에 여러 스레드가 동시에 접근하면 Race Condition, 데드락(Deadlock) 등이 발생할 수 있습니다.
  • 디버깅 및 테스트 복잡도 증가: 스레드 간 비동기적 상호 작용으로 인해, 에러 발생 조건이 복잡해지고 재현이 어렵습니다. 디버거로 일시중지 시, 다른 스레드의 상태와 타이밍을 모두 고려해야 합니다.
  • Context Switching 오버헤드: 스레드가 많아질수록 Context 전환 빈도가 늘어나, CPU에 부하가 커질 수 있습니다. 과도한 스레드 생성이 역효과를 초래할 수 있기 때문에 스레드 풀 사용을 권장합니다.

멀티스레딩의 동작 원리

  • 스케줄링: CPU가 여러 스레드를 빠르게 전환(Context Switching)해서 실행하거나, 멀티코어 환경에서는 여러 스레드를 물리적으로 동시에 실행합니다.
    • 스레드가 I/O 대기나 Sleep 상태일 때, 다른 스레드가 CPU를 차지할 수 있습니다. -> 자원 활용도 개선
  • 멀티스레딩은 Context Switching을 통해 병렬 실행을 구현합니다.

스레드 동기화

  • Race Condition(경합 상태)
    • 여러 스레드가 동시 접근하여 값을 읽고 쓸 때, 실행 순서에 따라 결과가 달라지는 문제
    • ex. 하나의 변수 count를 동시에 업데이트할 때, 덮어쓰기 문제 발생 가능
  • 임계 영역(Critical Section)
    • 공유 자원에 접근하는 부분
    • 동시 접근 시 동기화가 적절하게 되어 있지 않으면 Race Condition 발생
  • 동기화 기법
    • 뮤텍스(Mutex): 한 번에 하나의 스레드만 임계 영역 진입 가능
    • 세마포어(Semaphore): 카운터를 통해 동시에 진입할 수 있는 스레드 수를 제한
    • 모니터(Monitor): 객체 단위로 lock을 거는 고수준 구조(ex. 자바의 synchronized)
  • 데드락(Deadlock)
    • 스레드들이 서로 자원을 기다리면 영원히 대기 상태에 빠지는 현상
    • 상호 배제 + 점유 대기 + 비선점 + 순환 대기 조건이 동시에 만족할 때 발생

참고 자료

  1. 면접을 위한 CS 전공지식 노트, 주홍철
  2. Operating System Concepts, Abraham Silberschartz