[TIL 77-2일 차] Java 비동기 처리하기

May 27, 2026

3. 스레드 안정성과 동기화 기초

3-01. 멀티스레드 프로그래밍의 위험성

멀티스레드는 공유 자원을 동시에 접근할 때 심각한 문제가 발생함

이러한 문제는 대부분 Race Condition (경쟁 상태)에서 비롯된다.

1) Race Condition(경쟁 상태)란?

CPU 스케줄링 타이밍에 따라 여러 스레드의 실행 순서가 달라지고, 그 결과 프로그램의 실행 결과도 달라지는 문제를 말함

예시 상황

두 스레드가 동시에 접근하면 “1 증가” 연산이 겹치게 되고, 결과가 2가 아닌 1이 된다.

2) Race Condition 발생 원리

Race Condition은 여러 스레드가 같은 공유 자원에 동시에 접근할 때, 발생할 수 있음

특히, 읽기(Read), 조건 확인(Check), 쓰기(Write)가 분리되어 수행되는 비원자적 연산에서 자주 발생

if (balance >= amount) { // 조건 확인
    balance -= amount;   // 읽기 + 계산 + 쓰기
}

3-02. 스레드 동기화 기법

Race Condition이 발생하여 데이터가 손상될 수 있는 문제를 동기화(Synchronization)를 적용하여 방지할 수 있다.

동기화(Synchronization)
- 여러 스레드가 하나의 공유 자원에 동시에 접근하지 못하도록 임계 구역(Critical Secrion)을 설정하는 방법

1) 임계 구역(Critical Section)과 락(Lock)

임계 영역은 오로지 하나의 스레드만 코드를 실행할 수 있는 코드 영역
락은 임계 영역을 포함하고 있는 객체에 접근할 수 있는 권한

특정 코드 구간을 임계 영역으로 설정할 때는 synchronized라는 키워드를 사용

2) `synchronized` 키워드

Java에서 동기화를 구현하기 위한 핵심 키워드

Java의 모든 객체는 내부적으로 모니터 락(Monitor Lock)을 가지고 있음
synchronized 키워드는 이 락을 기반으로 작동

➡️ 하나의 스레드가 락을 점유하면, 다른스레드는 락이 해제될 때까지 대기

메서드 동기화

synchronized 키워드를 메서드 선언부에 붙이면, 메서드 전체가 임계 구역으로 설정됨

블록 동기화

필요한 부분만 synchronized 블록으로 감쌀 수 있음

장점

동기화 범위를 최소화하여 성능을 향상
- 동기화되는 코드 영역을 최소화 ➡️ 불필요한 대기 시간 감소
- 공유 자원을 사용하는 부분만 보호 ➡️ 성능 최적화 가능

단점

코드 구조 복잡해질 수 있음
여러 락을 다룰 경우 데드락 가능성이 증가

4. Executor와 스레드 풀

4-01. 스레드 풀 (Thread Pool)

스레드 풀은 미리 생성해둔 여러 스레드를 관리하는 구조

매번 새로운 스레드를 만들지 않고 이미 만들어진 스레드를 재사용함으로써 성능을 향상 시킨다.

1) 스레드 풀의 필요성

(1) 스레드 생성/소멸 비용 절감

스레드는 생성할 때마다 메모리 스택 공간과 운영체제의 문맥(context) 등록이 필요한데, 이 작업은 가볍지 않기 때문에, 매 요청마다 새로운 스레드를 생성하면 성능이 급격히 저하된다.

스레드 풀은 이 문제를 해결하기 위해 스레드를 미리 만들어 재사용한다

(2) 스레드 개수 제한을 통한 자원 관리

시스템은 한정된 CPU 코어와 메모리를 가지고 있기 때문에, 스레드가 많을 수록 문맥 전환(Context Switching) 비용이 커짐

스레드 풀은 최대 스레드 개수를 제한하여 시스템 자원 보호한다. 이로 인해 CPU가 처리 가능한 양을 초과하는 스레드가 생기지 않아 안정적인 실행이 가능하다.

2) 작업(Work) Queue의 역할

작업 요청은 먼저 작업 Queue에 저장되고, 작업 Queue에 들어온 작업을 스레드 풀에 있는 스레드가 가져와 실행한다.

3) 스레드 풀의 이점

스레드 재사용으로 생성/소멸 비용 절감되어 성능 향상
최대 스레드 개수 제한으로 과부하 방지가 되어 자원 관리 가능
요청이 많을 때도 작업 Queue를 통한 순차 처리가 가능하여 안정성 향상
직접 스레드 관리가 불필요하여 코드 단순화 가능
다양한 Executor 구현체와 함께 사용 가능하여 확장성이 높음

4-02. Executor 구조

멀티스레드 프로그래밍에서 가장 큰 문제 중 하나는 스레드를 직접 생성하고 관리하는 것이다.

➡️ 몇 개의 스레드를 만들지, 언제 종료할지, 예외가 발생하면 어떻게 처리할지 등 많은 책임이 개발자에게 있다.

이러한 복잡성을 줄이기 위해 Java는 스레드 실행을 추상화한 인터페이스 Executor를 제공

즉, Executor는 작업을 실행할 수 있는 객체를 표현한 인터페이스

public interface Executor {
    void executor(Runnable command);
}

스레드를 직접 생성하는 대신, Executor에서 실행을 위임하면 내부적으로 스레드 풀을 사용하거나 단일 스레드로 실행할 수 있음
다만, Executor를 직접 구현하지 않고, ExecutorService 같은 구현체를 사용해 구현한다.

1) `Executor`를 직접 구현하지 않는 이유

(1) 스레드 생성 비용 문제

매번 새로운 스레드를 만들면 스택 메모리 할당, 커널 리소스 요청 등으로 인해 생성 비용이 매우 큼

(2) 자원 관리 어려움

스레드를 직접 생성하기 때문에, 스레드 실행 중 종료/예외 처리의 직접 관리가 필요하다.

(3) 비동기 결과 및 예외 처리 부족

Executor는 Runnable만 받을 수 있어 결과를 반환할 수 없음

2) `ExecutorService`

Executor의 하위 인터페이스로, 스레드의 생명주기 관리 기능이 추가된 구조

public interface ExecutorService extends Executor {
    void shutdown();
    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);
}

실행은 물론
스레드를 종료(shutdown)할 수 있고,
결과 반환(Callable / Future ) 가능하며
여러 작업을 동시에 제출/관리할 수 있다.

기능

execute(Runnable) : 반환값 없는 단순 실행
submit(Callable) : 결과를 반환하는 작업 실행
- 이때 반환값을 비동기적으로 받을 수 있는 객체가 Future
shutdown() : 더 이상 새로운 작업을 받지 않음
awaitTermination() : 모든 스레드가 종료될 때까지 대기
isShutdown() / isTerminated() : 상태 확인

4-03. 자주 사용되는 스레드 풀 유형

Java의 Executor 유틸리티 클래스를 통해 다양한 형태의 스레드 풀을 쉽게 생성할 수 있다.

1) 고정 크기 스레드 풀 (Fixed Thread Pool)

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3); ➡️ 스레드 3개 유지

특징
- 스레드 개수를 고정해놓고 재사용
- 스레드가 모두 사용 중이라면, 남은 작업들을 작업 Queue에 대기 시킴
- CPU 바운드 작업(CPU 연산 위주)에 적합

2) 캐싱 스레드 풀 (Cached Thread Pool)

ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool(); ➡️ 유동적 스레드 풀

특징
- 필요한 만큼 스레드를 생성하고, 일정 시간동안 사용하지 않으면 자동 종료
- 요청이 몰리면 빠르게 스레드를 늘리고, 부하가 줄면 줄어든다.
- I/O 바운드 작업(네트워크, 파일 입출력)에 적합

3) 단일 스레드 실행자 (Single Thread Executor)

ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();

특징
- 하나의 스레드만 사용해 작업을 순차적으로 실행
- 여러 작업이 있을 경우, 작업 제출 순서대로 처리
- 로그 기록, 파일 쓰기 등 순서가 중요한 작업에 적합

4) 예약 스레드 풀 (Scheduled Thread Pool)

ScheduledExecutorService scheduler = Executors.newScheduledThreadPool(2);

cheduledExecutorService는 ExecutorService를 상속한 인터페이스로, 작업을 일정 주기로 예약(scheduling) 가능

특징
- 주기적 또는 일정 시간 후 실행 가능
- 타이머, 스케줄링 시스템, 정기적 백업 등 주기적 실행 작업에 적합

4-04. 스레드 풀 구성 및 관리

1) 적정 스레드 풀 크기 결정

스레드 풀의 크기는 시스템 성능과 직결됨

너무 작으면 작업이 밀리고, 너무 크면 CPU 자원 경쟁으로 성능이 떨어짐

CPU 코어 수보다 많은 스레드는 문맥 전환(Context Switching) 비용 유발
스레드 풀 크기를 경험적으로 조정하면서 모니터링하는 것이 가장 현실적인 접근

2) 스레드 풀 셧다운 (Shutdown)

(1) 셧다운의 필요성

스레드 풀을 종료하지 않으면 프로그램이 끝나도 백그라운드에서 계속 실행되어 자원이 낭비됨

따라서 모든 작업이 끝나면 명시적으로 종료해야 함

(2) 종료 메서드

shutdown() : 새 작업 접수 중단하고, 이미 제출된 작업은 완료될 때까지 실행
shutdownNow() : 실행 대기 중인 작업들을 취소하고, 실행 중인 스레드에 interrupt를 보내 중단 시도
awaitTermination(timeout, unit) : shutdown() 또는 shutdownNow() 호출 후, ExecutorService가 지정된 시간 안에 종료 완료를 기다림

3) 예외 처리 전략

(1) 실행 중 예외 발생

스레드 풀 내부에서 예외 발생 시, 해당 스레드만 영향을 받고 프로그램 전체는 멈추지 않음

하지만 메인 스레드로 예외 로그가 ****전파되지 않아 출력되지 않거나 무시될 수 있으므로 **명시적으로 예외를 처리해야 한다.**

(2) `Future`를 통한 예외 처리

스레드 풀 내부에서 예외 발생 시 future.get()으로 예외가 ExecutionException으로 감싸져 전달된다.

ExecutionException은 Checked Exception