Thread.join()을 이용한 Thread 실행 순서 제어 (Race Condition)

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Thread.join()을 이용한 Thread 실행 순서 제어 (Race Condition)

신건우 2023. 10. 2. 16:57

📘 Thread.join()을 이용한 실행 순서 제어

다른 스레드를 시작하고 멈추는 기능 그 이상에 대해 알아보겠습니다.

특히, 신뢰하는 스레드가 예상 시간 안에 작업을 완료하게 만드는 법을 배울 겁니다.

그러려면 스레드 실행을 완전히 제어할 수 있어야 합니다.

그렇게 특정 작업들을 병렬로 실행하고 처리 속도를 높이면 안전하고 정확하게 결과를 출력할 수 있습니다.

앞서 알아본 것처럼 스레드를 실행하면 독립적으로 동작하며,

스레드의 실행 순서 역시 개발자가 제어할 수 없습니다.

하지만, join()을 이용해 특정 스레드의 작업 완료 시, 다음 스레드를 실행하게 할 수 있습니다.

동시에 시작하는 두 스레드 A,B를 예시로 들어서 예측할 수 있는 결과는 아래와 같습니다.

A가 B보다 먼저 작업을 완료한다.
B가 A보다 먼저 작업을 완료한다.
A,B가 동시에 실행되거나, 병렬로 실행된다.

📌 만약 한 스레드가 다른 스레드에 의존한다면?

예를 들어 A의 계산값이 B에 입력된다고 가정해 보겠습니다.

이 때 B는 A가 계산이 완료 되었는지 어떻게 알 수 있을까요?

단순하게 B가 Loop를 돌면서 A의 계산 작업을 계속 확인하면 되지만, 굉장히 비효율적인 방법입니다.

void waitForThreadA() {
    while (!threadA.isFinished()) {
        // burn CPU cycles
    }
}

왜냐하면, A는 CPU를 이용해 작업을 완료하려 하고, 결과값을 B에 주려는 동안,

B는 계속 Loop를 돌면서 CPU Cycle을 태워버리기 때문입니다.

즉 A의 결과값을 받으려는 B의 Loop 실행이 결과적으로 A의 계산 작업을 느리게 만들게 됩니다.

📌 다른 방법

위의 비효율적인 방법보다 B를 sleep 상태로 두고, A가 작업을 완료했을때 깨우는 편이 훨씬 낫습니다.

이 방법에 사용되는 것이 이 글의 주제인 Thread.join() 메서드입니다.

📘 Thread.join() 예시

특정 숫자 배열에서 각 숫자의 Factorial을 계산하는 예시 코드로 join()을 배워보겠습니다.

계승(Factorial) 계산은 곱셈 연산이 많아 CPU를 많이 사용하는 작업 중 하나입니다.

그래서 멀티스레딩을 이용해 각각의 계산을 각각 다른 스레드에 병렬로 맡길 겁니다.

FactorialThread

아래 코드에서 factorial() 함수가 종료될때마다 계산값을 리턴하는 이유는,

결과값이 너무 크면 OverFlow가 발생할 수 있어 오래 사용하지 못하기 때문입니다.

그래서 BigInteger를 사용하였습니다.

스레드가 계산을 마치면 isNinished에 true를 반환하여 클래스 밖에서 getter를 호출하고,

클래스와 호출자가 결과 준비 여부를 알아낼 수 있습니다.

메인 스레드에서는 모든 Factorial 스레드의 결과값을 로그로 찍어서 출력할 겁니다.

/* 숫자 배열 - 각 숫자의 Factorial을 각각의 스레드로 병렬 계산하는 클래스 */
@Slf4j  
@Getter  
public class FactorialThread extends Thread {  

    private long inputNums;  
    private BigInteger result = BigInteger.ZERO;  
    private boolean isFinished = false;  

    public FactorialThread(long inputNums) {  
        this.inputNums = inputNums;  
    }  

    @Override  
    public void run() {  
        this.result = factorial(inputNums);  
        this.isFinished = true;  
    }  

    // 스레드가 스케줄링 되면 입력 숫자의 Factorial을 계산 후, result 변수에 저장합니다.  
    public BigInteger factorial(long n) {  
        BigInteger tempResult = BigInteger.ONE;  

        for (long i = n; i > 0; i--) {  
            tempResult = tempResult.multiply(new BigInteger(Long.toString(i)));  
        }  

        return tempResult;  
    }  

    public static void main(String[] args) {  
        // 숫자 배열 생성  
        List<Long> inputNums = Arrays.asList(0L, 3435L, 35435L, 2324L, 4656L, 23L, 2435L, 5566L);  

        // 스레드 리스트 생성  
        List<FactorialThread> list = new ArrayList<>();  

        // 모든 입력 숫자에 대해 각각 스레드 객체 생성  
        for (long inputNum : inputNums) {  
            list.add(new FactorialThread(inputNum));  
        }  

        // 스레드 리스트의 모든 스레드 시작  
        for (Thread thread : list) {  
            thread.start();  
        }  

        // 계산 스레드에서 결과값을 가져와 출력 - main 메서드의 역할  
        for (int i = 0; i < inputNums.size(); i++) {  
            // 각 스레드의 계산 완료 여부(isFinished)를 확인해 결과가 준비 됬는지 확인  
            FactorialThread thread = list.get(i);  

            // 계산이 완료됬다면, 입력값과 계산 결과값 출력  
            if (thread.isFinished) {  
                log.info("계산 완료. - {}의 Factorial은 {} 입니다.", inputNums.get(i), thread.getResult());  
            } else {  
                log.info("계산 중 입니다. - 입력값 : {}", inputNums.get(i));  
            }  
        }  
    }  
}

위 코드를 실행하면 아래왜 같은 출력값이 나옵니다.

> Task :FactorialThread.main()
16:36:47.378 [main] INFO com.thread.coordination.FactorialThread -- 계산 완료. - 0의 Factorial은 1 입니다.
16:36:47.384 [main] INFO com.thread.coordination.FactorialThread -- 계산 중 입니다. - 입력값 : 3435
16:36:47.384 [main] INFO com.thread.coordination.FactorialThread -- 계산 중 입니다. - 입력값 : 35435
16:36:47.384 [main] INFO com.thread.coordination.FactorialThread -- 계산 중 입니다. - 입력값 : 2324
16:36:47.384 [main] INFO com.thread.coordination.FactorialThread -- 계산 중 입니다. - 입력값 : 4656
16:36:47.384 [main] INFO com.thread.coordination.FactorialThread -- 계산 완료. - 23의 Factorial은 25852016738884976640000 입니다.
16:36:47.384 [main] INFO com.thread.coordination.FactorialThread -- 계산 중 입니다. - 입력값 : 2435
16:36:47.384 [main] INFO com.thread.coordination.FactorialThread -- 계산 중 입니다. - 입력값 : 5566

0과 23의 Factorial을 계산하는 것은 그렇게 오래 걸리지 않아서, 0과 23의 결과값은 나왔습니다.

이 현상이 어디서 많이 들어본 Race Condition 입니다.

Thread List를 순회하며 스레드들을 실행 시키는 2번째 for Loop와,

각 스레드의 결과값을 확인하려는 main 스레드의 Loop인 마지막 Loop 사이에서 일어나는 경쟁 상태 입니다.

// 스레드 리스트의 모든 스레드 시작  
for (Thread thread : list) {  
    thread.start();  
}  

// 계산 스레드에서 결과값을 가져와 출력 - main 메서드의 역할  
for (int i = 0; i < inputNums.size(); i++) {  
    // 각 스레드의 계산 완료 여부(isFinished)를 확인해 결과가 준비 됬는지 확인  
    FactorialThread thread = list.get(i);  

    // 계산이 완료됬다면, 입력값과 계산 결과값 출력  
    if (thread.isFinished) {  
        log.info("계산 완료. - {}의 Factorial은 {} 입니다.", inputNums.get(i), thread.getResult());  
    } else {  
        log.info("계산 중 입니다. - 입력값 : {}", inputNums.get(i));  
    }  
}

이제 위 코드에서 Thread.join()을 사용해서 계산 스레드가 작업을 마칠떄까지,

결과 값을 확인하는 main 스레드를 대기하게 만들어 보겠습니다.

위에서 경쟁 상태에 들어간 2개의 For Loop 사이에 또 하나의 For Loop를 추가해줍니다.

    // 스레드 리스트의 모든 스레드 시작  
    for (Thread thread : list) {  
        thread.start();  
    }  

    // join()을 통해 계산 스레드의 모든 작업이 완료 되었을때 아래 Loop를 실행하게 함.  
    for (Thread thread : list) {  
        try {  
            thread.join();  
        } catch (InterruptedException e) {  
        }  
    }  

    // 계산 스레드에서 결과값을 가져와 출력 - main 메서드의 역할  
    for (int i = 0; i < inputNums.size(); i++) {  
        // 각 스레드의 계산 완료 여부(isFinished)를 확인해 결과가 준비 됬는지 확인  
        FactorialThread thread = list.get(i);  

        // 계산이 완료됬다면, 입력값과 계산 결과값 출력  
        if (thread.isFinished) {  
            log.info("계산 완료. - {}의 Factorial은 {} 입니다.", inputNums.get(i), thread.getResult());  
        } else {  
            log.info("계산 중 입니다. - 입력값 : {}", inputNums.get(i));  
        }  
    }  
}

모든 스레드의 join() 메서드는 스레드가 반드시 종료 되어야 반환됩니다.

그래서 저렇게 사이에 join()을 수행하는 Loop를 넣게 되면 Main 스레드의 출력값 확인 Loop가 돌기 전에,

계산 스레드가 전부 작업을 마친 상태가 됩니다.

출력값

...

0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 입니다.
16:44:48.239 [main] INFO com.thread.coordination.FactorialThread -- 계산 완료. - 23의 Factorial은 25852016738884976640000 입니다.
16:44:48.239 [main] INFO com.thread.coordination.FactorialThread -- 계산 완료. - 2435의 Factorial은 513182645561128088672156736464340287524403662593648466794330042634192500265473203299719385643238690018643728904909901304742971610865224171209035401972133875496928699825980018137211793957785744272636619750074273361084919494259263407714994235148229340544283948837689491015969515026299776362802607590656

...

출력값은 숫자가 너무 크게 나와서 스크롤 압박이 굉장히 심하므로 이 글에서 적진 않겠지만,

실행을 시켜보면 모든 계산 작업의 결과값이 main 스레드에 의해 출력되는걸 확인하실 수 있을 겁니다.

📘 Edge Case

만약 위 Factiroal 예시에서 입력으로 들어오는 숫자 배열의 숫자 중 1개의 값이 엄청 큰 값이면 어떻게 해야 할까요?

이와 같은 상황이 되면, join()은 스레드가 종료되어야 반환되기 때문에,

main 메서드로 결과값을 출력하는 스레드의 실행은 엄청나게 늦춰져서 1개의 계산 스레드 때문에 모든 결과값을 받지 못하게 됩니다.

해결 방법으로는 Thread.join() 을 사용할 때 긴 작업 스레드가 기다릴 시간을 정하고,

그 값을 Thread.join() 파라미터에 값을 전달하면 됩니다.

값의 단위는 MilliSecond이며 2000으로 설정했다고 가정하면, 2초 후 스레드가 종료되지 않는다면 Thread.join()이 반환됩니다.

// join()을 통해 계산 스레드의 모든 작업이 완료 되었을때 아래 Loop를 실행하게 함.  
for (Thread thread : list) {  
    try {  
        thread.join(2000);  
    } catch (InterruptedException e) {  
    }  
}

그리고, 이 긴 작업 스레드를 Interrupt 하지 않아 어플리케이션도 여전히 실행중입니다.

간단하게 스레드를 시작하는 for Loop에서 모든 스레드를 Daemon 스레드로 만들면 어플리케이션이 정상적으로 종료됩니다.

// 스레드 리스트의 모든 스레드 시작  
for (Thread thread : list) {  
    thread.setDaemon(true);  
    thread.start();  
}

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