자바 병렬 프로그래밍: 멀티코어 활용을 위한 핵심 기술

1. 멀티코어 컴퓨팅 이해하기

 

 

 

1. 멀티코어 컴퓨팅이란?

 

멀티코어 컴퓨팅은 하나의 컴퓨터에 여러 개의 프로세서 코어를 넣어 동시에 여러 가지 작업을 수행하는 기술이다. 이는 기존의 단일 코어 프로세서에 비해 훨씬 더 많은 계산을 동시에 처리할 수 있으며, 빠른 속도와 더 많은 작업을 동시에 처리할 수 있게 한다.

 

2. 멀티코어 컴퓨팅의 장단점

 

장점으로는 더 높은 성능, 향상된 처리량, 빠른 응답 시간, 더 큰 데이터 처리 등이 있으며, 단점으로는 전력 소비가 높아지고, 높은 복잡도와 어려운 프로그래밍, 지원하지 않는 응용 프로그램 등이 있다.

 

3. 멀티코어 컴퓨팅의 동작 원리

 

멀티코어 컴퓨팅에서는 하나의 CPU에 여러 개의 코어가 탑재되어 작업을 분산시켜 수행하는 방식으로 동작한다. 이 때 각 코어는 독립적으로 작동하지만, 전체 시스템 성능을 최적화하기 위해 상호작용하며 작동할 수 있다.

 

4. 멀티코어 프로그래밍이란?

 

멀티코어 프로그래밍은 멀티코어 아키텍처 상에서 프로그램을 설계, 구현하고 최적화하는 것을 말한다. 이를 위해서는 고성능 계산, 병렬 알고리즘, 데이터 동기화 및 메모리 관리 등에 대한 이해와 기술이 필요하다.

 

5. 멀티코어 컴퓨팅의 미래

 

현재에는 대부분의 컴퓨터에서 멀티코어 아키텍처가 사용되고 있지만, 앞으로 더 많은 코어를 탑재하여 더 높은 성능을 구현하는 방안이 연구되고 있다. 이를 위해서는 더욱 효율적인 멀티코어 컴퓨팅 기술과 프로그래밍 기술이 필요할 것이다.

 

 

 

2. 자바 스레드 프로그래밍

 

 

 

자바 스레드 프로그래밍은 자바에서 멀티스레드를 활용하여 프로그래밍하는 기술을 말합니다. 여기서 멀티스레드란 하나의 어플리케이션에서 여러 개의 스레드를 동시에 실행하는 것을 의미합니다. 이를 통해 CPU자원을 효율적으로 활용할 수 있고, 빠른 처리를 구현할 수 있습니다.

 

자바에서 스레드를 생성하는 방법은 Thread클래스나 Runnable인터페이스를 상속받아 run()메서드를 재정의 하는 것입니다. 이 때, 여러개의 스레드가 동시에 한 변수에 접근하면서 문제가 발생할 수 있는데, 이러한 문제를 해결하기 위해 synchronized, wait, notify 등의 키워드를 사용해 쓰레드를 동기화합니다.

 

하지만, 이러한 방법은 코드가 복잡해지고 느려질 수 있다는 단점이 있습니다. 자바에서는 이러한 복잡성을 해결하기 위해 java.util.concurrent 패키지를 제공합니다. 이 패키지에서는 스레드 풀, 동시성 컬렉션, 원자적 연산 등의 기능을 제공하여 복잡한 멀티스레드 프로그래밍을 보다 쉽고 안전하게 할 수 있도록 해줍니다.

 

또한, 자바에서는 parallelStream()메소드를 통해 간단히 병렬 처리를 할 수 있습니다. 이 메소드를 사용하면 컬렉션의 요소들을 병렬로 처리할 수 있어서, 멀티코어 CPU를 이용한 빠른 처리가 가능합니다.

 

하지만, 멀티스레드 프로그래밍에서는 공유 자원에 대한 접근이나 동기화 문제 등이 발생할 수 있기 때문에, 적절한 설계와 구현이 필요합니다. 접근 제어, 동기화 처리 등을 적절히 사용해서 멀티스레드 프로그래밍을 안전하고 효율적으로 구현해야 합니다.

 

 

 

3. Executor와 스레드풀

 

 

[자바 병렬 프로그래밍: 멀티코어 활용을 위한 핵심 기술] 라는 블로그 글의 [3. Executor와 스레드풀] 섹션은 다음과 같다.

 

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## 3. Executor와 스레드풀

 

스레드 생성과 관리는 매우 비용이 큰 작업입니다. 이러한 작업을 잘못하면 CPU 비용을 많이 소비하게 됩니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 스레드를 적극적으로 재사용해야 하고, 스레드를 생성하는 비용을 최대한 줄이는 방법을 사용해야 합니다. 이를 위해 Java 5에서 Executor와 스레드풀이라는 새로운 API가 도입되었습니다.

 

### 3.1. Executor 인터페이스

 

자바 5에서 Executor 인터페이스가 도입되었습니다. 이 인터페이스는 단일 작업자 스레드에서 작업을 실행할 수 있는 단순한 인터페이스입니다.

 

```java

 

public interface Executor {

 

void execute(Runnable command);

 

}

 

```

 

### 3.2. ExecutorService 인터페이스

 

ExecutorService는 Executor 인터페이스를 확장한 것으로, 실행자 서비스를 제공하는 인터페이스입니다. 이 인터페이스는 스레드풀에 대한 API를 제공합니다.

 

```java

 

public interface ExecutorService extends Executor {

 

void shutdown();

 

List shutdownNow();

 

boolean isShutdown();

 

boolean isTerminated();

 

boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

 

Future submit(Callable task);

 

Future submit(Runnable task, T result);

 

Future submit(Runnable task);

 

List> invokeAll(Collection> tasks) throws InterruptedException;

 

List> invokeAll(Collection> tasks, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

 

}

 

```

 

### 3.3. 스레드풀

 

스레드풀은 작업을 처리하는 스레드의 풀입니다. 이를 통해 스레드의 생성 및 삭제에 따른 부하를 줄일 수 있습니다. 또한, 스레드풀에서는 작업자 스레드를 다시 사용할 수 있도록 지능적인 작업자 스레드 관리를 수행합니다.

 

스레드풀은 `java.util.concurrent.Executors` 클래스를 사용하여 만들 수 있습니다.

 

```java

 

ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);

 

```

 

위의 코드에서 10은 생성될 스레드풀의 크기입니다.

 

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위와 같은 내용으로 [자바 병렬 프로그래밍: 멀티코어 활용을 위한 핵심 기술] 블로그에서는 Executor와 스레드풀에 대해 설명합니다. 이를 통해 스레드 생성 및 관리에 따른 부하를 줄이고 작업자 스레드를 효율적으로 관리하는 방법에 대해 알 수 있습니다.

 

 

 

4. 동기화와 공유 데이터 접근

 

 

자바에서 멀티스레드 프로그래밍을 할 때 가장 주의해야 하는 부분 중 하나는 멀티스레드 환경에서 공유 데이터에 대한 접근이다. 여러 개의 스레드가 동시에 공유 데이터에 접근할 경우, 예상치 못한 결과가 발생할 수 있다.

 

이를 방지하기 위해 불변 객체를 사용하거나, 스레드-로컬 변수를 사용하는 등의 방법이 있지만 가장 일반적으로 사용되는 방법은 동기화(synchronization)이다. 동기화를 통해 여러 개의 스레드가 공유 데이터에 적절하게 접근하도록 제어할 수 있다.

 

동기화를 구현하는 방법으로는 synchronized 메서드와 synchronized 블록이 있다. synchronized 메서드는 메서드 전체를 임계영역으로 설정하며, 스레드가 해당 메서드를 실행하기 위해서는 먼저 해당 객체의 모니터 락을 획득해야 한다. synchronized 블록은 특정 코드 블록을 임계영역으로 설정한다.

 

하지만 동기화는 성능 저하를 유발할 수 있다. 특히, synchronized 메서드는 객체의 모니터 락을 획득해야 하기 때문에 다른 스레드가 해당 객체의 다른 메서드를 실행하려고 기다려야 하는 경우가 발생할 수 있다. 따라서 필요한 경우에만 동기화를 적용해야 한다. 불필요한 동기화가 프로그램의 성능을 저하시키는 원인이 될 수 있기 때문이다.

 

또한, 동기화된 코드에서는 인터럽트를 무시하게 되므로, 스레드 인터럽트를 잘 처리해야 한다. 이를 위해서는 인터럽트가 발생할 때 바로 종료되지 않고, 특정 지점에서만 체크하는 방식으로 처리해야 한다.

 

따라서 멀티스레드 프로그래밍을 할 때는 공유 데이터에 대한 접근을 적절하게 제어하고, 필요한 경우에만 동기화를 적용하도록 주의해야 한다.

 

 

 

5. ConcurrentHashMap과 원자성 변수 사용하기

 

 

 

병렬 프로그래밍을 할 때 가장 중요한 것은 스레드 간의 동기화 문제를 해결하는 것이다. 그래서 자바에서는 ConcurrentHashMap과 Atomic 변수들을 제공해 멀티코어를 활용하는 프로그래밍을 지원하고 있다.

 

ConcurrentHashMap은 동시에 여러 스레드에서 접근할 수 있는 해시맵이다. 일반적인 HashMap과 달리 각각의 버킷에 대해 하나의 락(lock)을 가지고 있다. 그래서 여러 스레드가 동시에 다른 버킷에 접근하더라도 락 충돌이 발생하지 않아 고성능을 유지할 수 있다.

 

Atomic 변수는 여러 스레드에서 동시에 접근하는 변수인데, synchronized 키워드를 쓰지 않고도 스레드 안전(thread-safe)하다. Atomic 변수는 하나의 연산이 atomic하게 동작하도록 보장한다. 예를 들어 AtomicInteger의 getAndIncrement() 메소드는 하나의 연산으로 동작하게 되어서 여러 스레드에서 동시에 실행해도 정확하게 하나씩 증가하게 된다.

 

ConcurrentHashMap과 Atomic 변수들은 멀티코어 시스템에서 더욱 빠르고 안전한 프로그램을 구현하기 위한 필수적인 기술이다. 따라서 병렬 프로그래밍을 할 때는 ConcurrentHashMap과 Atomic 변수 사용을 적극 고려해야 한다.

 

 

 

6. Fork/Join 프레임워크

 

 

 

Fork/Join 프레임워크는 자바 7부터 지원되는 API로, 멀티코어 CPU 시스템에서 병렬 작업을 수행하기 위해 사용된다. 이 프레임워크는 Divide-and-Conquer(분할정복) 알고리즘에 기반을 두고 있다.

 

Fork/Join 프레임워크는 다음과 같은 특징을 가진다.

 

1. 작업 분할 : 하나의 큰 작업을 여러 개의 작은 작업으로 분할한다.

 

2. 작업 처리 : 분할된 작업들을 각각 다른 쓰레드에서 병렬로 실행한다.

 

3. 결과 병합 : 처리된 작업의 결과들을 합친다.

 

Fork/Join 프레임워크는 ForkJoinPool 클래스를 사용하여 쓰레드 풀을 생성하고, ForkJoinTask 클래스를 사용하여 작업을 나타낸다. ForkJoinTask 클래스는 다음 두 가지 하위 클래스를 가진다.

 

1. RecursiveAction : 결과 값이 없는 작업을 처리할 때 사용된다.

 

2. RecursiveTask : 결과 값이 있는 작업을 처리할 때 사용된다.

 

ForkJoinTask 클래스를 상속받은 클래스를 작성할 때는 compute() 메서드를 구현해야 한다. 이 메서드에서는 작업 분할과 작업 처리가 이루어진다.

 

Fork/Join 프레임워크를 사용하면 복잡한 병렬 처리 로직을 비교적 간단하게 작성할 수 있으며, 멀티코어 CPU 시스템에서는 높은 성능을 발휘한다.

 

 

 

7. Reactive 프로그래밍과 RxJava

 

 

 

[7. Reactive 프로그래밍과 RxJava]

 

최근 몇 년간 웹 프로그래밍 환경이 급격히 변화하면서 Reactive 프로그래밍의 개념이 주목을 받았다. Reactive 프로그래밍은 기본적으로 "반응형"이라는 의미를 내포하고 있으며, 이는 데이터나 이벤트 발생에 대한 반응성을 높이는 방식의 프로그래밍을 의미한다.

 

이러한 형태의 프로그래밍은 데이터나 이벤트 간의 응답성, 병렬성, 오류 처리 등 여러 가지 측면에서 높은 성능을 보이게 된다. 이러한 특징을 갖는 Reactive 프로그래밍의 대표적인 라이브러리 중 하나가 RxJava이다.

 

RxJava는 콘커런트(Concurrent) 및 병렬성(Parallelism)을 지원하며 비동기식(Asynchronous) 및 이벤트 기반(Event-Driven) API를 제공한다. 이를 이용하여 자바에서 Reactive 프로그래밍을 할 수 있다.

 

RxJava는 Observable, Observer, Subscription 등 몇 가지 중요한 인터페이스를 제공하며, 이를 이용하여 데이터나 이벤트를 처리할 수 있다. 또한, RxJava는 다양한 함수형 프로그래밍 패턴을 지원하며, 이를 통해 코드를 간결하고 명확하게 작성할 수 있다.

 

예를 들어, 다수의 스트림에서 값을 가져와서 처리하는 경우, RxJava는 이러한 스트림을 일괄적으로 처리할 수 있는 방법을 제공한다. 이를 통해 스트림 간의 동시성 작업이 가능해지며, 이를 활용하여 높은 성능을 얻을 수 있다.

 

Reactive 프로그래밍은 이제까지의 절차적인 프로그래밍에서 벗어나 데이터나 이벤트를 처리하는 방식을 완전히 바꾸었다. 이러한 개념과 라이브러리를 이용하여 자바에서 Reactive 프로그래밍을 적용하면 높은 성능과 확장성을 보장할 수 있다.

 

 

 

8. 병렬 스트림 사용하기

 

 

 

병렬 스트림은 Java 8에서 소개된 새로운 기능으로, 스트림 API를 이용하여 멀티 프로세스 환경에서 병렬 처리를 할 수 있도록 도와주는 기술입니다. 병렬 스트림은 스레드를 여러 개 이용해서 데이터를 병렬적으로 처리하기 때문에, 멀티코어 CPU의 성능을 최대한 활용할 수 있습니다.

 

병렬 스트림은 기존의 스트림 API와 거의 유사합니다. 다만, parallel() 메소드를 호출하여 병렬 스트림으로 변환하는 것이 다릅니다. 이렇게 생성된 병렬 스트림은 여러 개의 스레드에서 동시에 실행되며, 데이터의 개수가 많을 때 CPU의 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.

 

병렬 스트림은 스트림 API의 개념과 기능적인 측면이 유사하기 때문에, 스트림 방식으로 구현된 코드를 병렬 스트림으로 쉽게 변경할 수 있습니다. 그리고 병렬 처리는 스레드를 사용하기 때문에, 직접 스레드를 다루는 것보다 대부분의 경우 훨씬 간편하게 구현할 수 있습니다.

 

하지만 병렬 스트림을 사용할 때에는 주의해야 할 점도 있습니다. 예를 들어, 스트림의 데이터가 많아질수록 병렬 처리를 위해 사용되는 스레드의 수도 같이 증가하기 때문에, 메모리 공간이 부족해질 수 있다는 점이 있습니다. 또한, 스레드 간의 작업 분배 및 데이터 처리 결과의 병합과정에서 동기화 과정이 필요하기 때문에, 병렬 처리의 속도 향상을 위해 작업이나 데이터를 분리하는 등의 어려운 작업이 필요할 수도 있습니다.

 

따라서, 자바에서 병렬 스트림을 사용하기 위해서는 사용 목적에 따른 장단점을 꼼꼼하게 검토하고, 필요한 경우에는 성능 측정도 같이 진행하여 최적의 성능을 보장하는 코드를 작성해야 합니다.