[TIL 77-1일 차] Java 비동기 처리하기

May 27, 2026

1. 비동기 처리의 개념과 필요성

1-01. 동기 vs 비동기 처리

1) 동기와 비동기

동기 (Synchronous)

요청한 작업이 끝날 때까지 다음 작업이 대기

호출한 함수가 끝날 때까지 기다림 ➡️ 결과를 받고 다음 진행
적합한 환경 : 단순 요청, 처리량이 적은 시스템

비동기 (Asynchoronous)

요청한 작업의 완료 여부와 관계없이 다음 작업을 수행 ➡️ 병렬적으로 여러 작업 수행

호출만 하고 바로 다음 코드 실행 ➡️ 결과는 나중에 받음
비동기 처리 예시 : CompletableFuture.runAsync(() -> {...});
적합한 환경 : 대규모 트래픽, 외부 API 호출, I/O 작업

2) 블로킹과 논블로킹

Blocking

호출한 함수가 작업을 끝낼 때까지 제어권을 반환하지 않음

작업 완료 후 제어권 반환
스레드가 멈춤
예시 : InputStream.read()

Non-Blocking

호출 즉시 제어권을반환하며, 완료 여부는 나중에 확인

즉시 제어권 반환
스레드가 계속 실행
예시 : NIO Channel.read()

3) 동기/비동기 + 블로킹/논블로킹 조합

동기 + 블로킹
- 작업 완료까지 기다름
동기 + 논블로킹
- 결과를 반복 확인 (Polling)
비동기 + 블로킹
- 별도 스레드에서 실행하지만, 호출자는 결과를 기다림
비동기 + 논블로킹
- 별도 스레드에서 실행되고 결과는 콜백으로 전달

4) 스레드 동작 구조

1-02. 비동기 처리 구현 메커니즘

1) 스레드 기반 비동기 처리

비동기 처리를 구현하는 가장 기본적인 방식은 스레드(Thread)를 활용하는 것

Java Application은 기본적으로 메인 스레드 하나만 실행되지만, 별도 스레드를 생성하면 동시에 여러 작업을 할 수 있다.

단일 스레드 프로그램의 한계
- 모든 작업을 순차적으로 처리하기 때문에, 한 작업이 오래 걸리면 전체 프로그램이 멈춘 것처럼 느껴짐

스레드(`Thread`)를 이용한 비동기 처리

메인 스레드와 작업 스레드가 동시 실행 ➡️ 작업이 끝나길 기다리지 않음
Thread 클래스 사용 ➡️ 간단한 병렬 처리 구현 가능

`ExecutorService`를 이용한 스레드 풀 관리

스레드 풀(Thread Pool)
- 미리 생성해둔 일정 수의 스레드를 재활용 하는 구조
- 매번 스레드 새로 생성할 필요 없음
  - 자원 절약 + 안정적인 성능 유지
ExecutorService
- 스레드를 직접 생성하고 실행하는 대신, 작업(Runnable, Callable)을 제출(submit())하면 스레드 풀에서 실행해 주는 인터페이스
- 스레드 풀의 크기를 지정할 수 있음

`CompletableFuture`를 이용한 고수준 비동기 처리

CompletableFuture
- Java 8부터 제공되는 비동기 작업 실행 및 결과 처리용 클래스
- 콜백 기반(thenApply, thenAccept)으로 비동기 작업을 연결 가능
  - 콜백을 이용해 논플로킹 체이닝 가

2) 이벤트 루프 기반 비동기 처리

이벤트 루프(Event Loop)는 단일 스레드(single-thread) 환경에서 수천 개의 요청을 효율적으로 처리할 수 있는 비동기 모델

주로 I/O 중심 애플리케이션(네트워크, 파일, DB 요청 등)에 매우 효과적
Node.js, Spring WebFlux, Project Reactor 등이 이 방식을 사용

이벤트 루프의 구성 요소

Event Loop : 요청의 등록, 실행, 완료를 관리하는 메인 루프 스레드
Event Queue : 처리해야 할 요청(작업)을 저장하는 Queue
Callback : 작업 완료 후 실행될 코드 블록
Non-blocking I/O API : 운영체제(OS)가 관리하는 소켓의 I/O 상태를 감지하여, 읽기 가능·쓰기 가능·연결 가능 같은 이벤트를 애플리케이션에 알려주는 API
- 예시 : epoll, kqueue

동기 처리 구조와 비교

동기 처리
- 모든 요청이 순서대로 실행, 이전 요청이 끝나야 다음 요청 시작 가능
- 요청 ➡️ 작업 시작 ➡️ 작업 완료 ➡️ 다음 요청 처리
이벤트 루프 기반 비동기 처리
- 모든 요청을 Queue에 등록, I/O가 완료되면 Callback 실행
- 요청1, 요청2, 요청3, … 등록 ➡️ 이벤트 Queue ➡️ 이벤트 루프가 순서대로 작업 확인 ➡️ I/O 완료 이벤트 발생 ➡️ Callback 실행

이벤트 루프 workflow

이벤트 루프의 장점과 한계

장점
- 스레드 생성/관리 오버헤드가 없음
- 메모리 효율 높음
- 동시 요청 처리량 우수
한계
- CPU 연산이 많은 작업에는 부적합
- Callback Hell(콜백 중첩) 발생 가능

3) 메시지 기반 비동기 처리

메시지 기반 비동기 처리(Message-driven Asynchronous Processing)는 서로 다른 시스템이나 프로세스 간에 메시지를 교환하며 비동기적 작업을 처리하는 방식

프로세스 간 결합도를 낮추는 비동기 통신 방식

메시지 Queue의 구조와 동작

메시지 Queue는 요청(Request)과 응답(Response)이 동시에 처리되지 않아도 되는 비동기 구조를 제공

발신자(Producer)는 메시지를 보낸 뒤 기다릴 필요 없이 다음 작업 수행 가능
수신자(Consumer)는 나중에 메시지를 꺼내 처리

1. Producer(발신자)
메시지 생성 ➡️ 메시지를 Queue에 전송

2. Message Queue(중간 저장소)
➡️ 메시지 저장 (버퍼 역할)
➡️ 전달 보장 및 순서 관리

3. Consumer(수신자)
➡️ Queue에 쌓인 메시지 순서대로 수신 및 처리(소비)
➡️ 처리 완료 후 ACK 전송

ACK(Acknowledgement)
- Consumer가 정상적으로 메시지를 처리했다는 신호로,
- ACK를 받지 못하면 메시지는 “미처리”로 간주되어 Queue에 남음

메시지 Queue의 특징

비동기성(Asynchronous) : 요청과 응답 동시에 발생하지 않아도 됨
내결함성(Fault Tolerance) : Consumer 장애 시 메시지 손실 X
확장성(Scalability) : 여러 Consumer가 병렬적으로 메시지 처리 가능
순서 보장(Ordering) : FIFO(선입선출)
버퍼링(Buffering) : 과도한 요청 폭주 시 임시 저장소 역할 수행

발행-구독(Pub-Sub) 패턴

Pub-Sub(Publish-Subscribe) 패턴은 메시지 Queue의 확장된 형태로, 하나의 메시지를 여러 구독자(Subscriber)에게 동시에 전달할 수 있는 구조

메시지를 분류할 Topic을 생성
소비자(Consumer)가 관심있는 Topic을 구독(Subscribe)
생산자(Producer)가 해당 Topic에 한 번 메시지 발행(Publish)
해당 Topic을 구독(Subscribe)한 모든 소비자(Consumer)가 동일한 메시지를 받음

Kafka 예시 - Topic과 Partition 구조

Kafka에는 Topic만 있는게 아니라, 하나의 Topic을 여러 파티션(Partition)으로 나누어 병렬 처리

각 파티션은 FIFO

1-03. I/O Bound

Input/Output 작업의 지연이 시스템 처리 속도의 병목이 되는 상황

예시: DB 조회, 파일 읽기/쓰기, 네트워크 통신 등
이 과정에서 CPU는 이미 요청을 보내도 응답을 기다리는 동안 아무 일도 하지 않음 ➡️ 비효율적

1) CPU Bound vs I/O Bound

구분	CPU Bound	I/O Bound
처리 중심	연산 중심	입출력 중심
병목 요인	CPU 계산 속도	네트워크/디스크 속도
예시	암호화, 영상 렌더링	DB, API, 파일 입출력
해결 방법	병렬 처리(Thread Pool)	비동기, 논블로킹 I/O

CPU Bound와 I/O Bound 작업은 반드시 스레드 풀(Thread Pool) 분리
- 즉, 성격이 다른 작업은 다른 자원에서 처리

2) 동기(Synchronous) 방식의 한계

I/O 요청이 끝나기 전까지 서버 스레드는 블로킹(Blocking) 상태

대량 요청 ➡️ 스레드 수 증가 ➡️ 메모리/CPU 낭비 ➡️ 처리 지연
예시: 1000개의 동시 요청 ➡️ 1000개의 스레드 동시 대기

트래픽 환경에서 병목 현상

많은 요청이 동시에 들어오면 대기 중인 스레드 증가 ➡️ 스레드 풀의 여유 스레드 부족할 가능성 존재
스레드 생성/관리 비용이 커서, 일정 수준을 넘으면 스레드 컨텍스트 스위칭 비용 폭증

3) 비동기(Asynchronous) 방식의 이점

요청을 보내고 응답을 기다리지 않은 채 다음 작업을 처리

I/O 요청 후 CPU를 다른 작업에 재활용

트래픽 환경에서 처리 효율

스레드 수를 늘리지 않아도 대기 중인 요청을 교차 처리
CPU는 항상 일하는 상태를 유지 ➡️ 처리량(Throughput) 증

2. Java 스레드 이해

2-01. 스레드

1) 스레드(Thread)란?

스레드(Thread)

프로그램 내부에서 독립적으로 실행되는 작업의 가장 작은 단위(흐름)으로, 하나의 코드 실행 흐름이라고도 볼 수 있음
데이터와 애플리케이션이 확보한 자원을 활용하여 소스 코드를 실행함
하나의 프로그램(=프로세스) 안에 하나 이상의 스레드가 존재
- 여러 스레드를 만들면 ➡️ 멀티스레드 프로세스
  - 동시에 여러 작업 처리할 수 있음
  - 각 스레드는 프로세스 내 메모리를 공유 ➡️ 병렬적으로 작업 수행 가능

프로세스(Process)

실행 중인 애플리케이션
데이터, 컴퓨터 자원, 스레드로 구성

2) JVM과 스레드

Java 애플리케이션은 실행 시 JVM이 하나의 프로세스로 동작하며, 그 안에 여러 개의 스레드가 만들어짐

JVM은 아래와 같은 스레드들을 스레드 스케줄러(Thread Scheduler)를 통해 관리

메인 스레드
- main() 메서드를 실행시키는 스레드
GC 스레드
- 가비지 컬렉션 수행하는 백그라운드 스레드
Finalizer 스레드
- 객체 소멸 시점에서 정리 작업 수행
사용자 정의 스레드(작업 스레드, Worker Thread)
- 개발자가 직접 생성한 스레드
- 백그라운드나 별도의 계산, 네트워크 통신, 파일 입출력 등을 처리하기 위해 사용

3) 멀티스레드

멀티스레드 프로세스
- 하나의 프로세스 안에 여러 개의 스레드가 존재하는 프로세스
- 각 스레드는 프로세스 내 메모리를 공유 ➡️ 병렬적으로 작업 수행 가능
멀티스레딩
- 하나의 프로세스 안에서 여러 스레드를 생성하여 여러 작업을 동시에 또는 병렬적으로 처리하는 방식

멀티스레드 장점

CPU의 Multi Core를 효율적으로 활용 가능
동시에 여러 작업 수행 가능
사용자 경험(UX) 개선 가능
- 예시 : UI 멈춤 방지 등

멀티스레드 위험성

동시성 문제
- 자원을 동시에 접근할 경우 경쟁 상태(Race Condition) 발생 가능
- 잘못된 동기화로 인한 데드락(Deadlock) 발생 가능

2-02. 스레드 생성과 실행

메인 스레드 외에 별도의 작업 스레드를 활용한다는 것은 작업 스레드가 수행할 코드를 작성하고, 작업 스레드를 생성하여 실행시키는 것을 의미

작업 스레드를 생성하고 실행하는 방법

Runnable 인터페이스를 구현한 객체에서 run()을 구현하여 스레드를 생성하고 실행하는 방법

public class ThreadExample01 {

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(new ThreadTask1());

        thread1.start();

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.print("@");
        }
    }
}

class ThreadTask1 implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.print("#");
        }
    }
}

Thread 클래스를 상속받은 하위 클래스에서 run()을 구현하여 스레드를 생성하고 실행하는 방법

package com.sprint.mission.examplejavaasynchronous.v1;

public class ThreadExample02 {

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread2 = new ThreadTask2();

        thread2.start();
    }
}

class ThreadTask2 extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.print("#");
        }
    }
}

2-03. 스레드 기본 제어

스레드는 독립적으로 실행되지만, 프로그램의 안정성과 효율성을 위해 제어(Controlling)가 필요

1) 스레드 제어 메서드

start()
- 새로운 스레드를 시작하고, JVM/OS 스케줄러가 해당 스레드의 run() 메서드를 실행할 수 있도록 함
sleep()
- 일정 시간 동안 현재 스레드를 일시 정지 시킴
join()
- 특정 스레드의 작업이 완료될 때까지 다른 스레드를 대기 시킴
interrupt()
- 스레드를 강제 종료하지 않고, 중단 요청 신호를 보냄
- 스레드 내부에서 inInterrupted()나 InterruptedException을 통해 이 신호를 감지하고 직접 종료를 제어