[Java] Java21 가상 쓰레드 (Virtual Thread)

Java 21의 가상 쓰레드(Virtual Thread)는 자바의 새로운 기능 중 하나로, 기존의 플랫폼 쓰레드(Platform Thread)에 비해 경량화된 방식으로 동시성을 처리할 수 있도록 돕는 기능이다. 가상 쓰레드는 자바 19에서 프리뷰로 처음 도입되었으며, 자바 21에서는 정식 기능으로 포함되었다. 이로 인해 고성능 애플리케이션에서 동시성 처리가 크게 향상될 수 있다.

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1. 가상 쓰레드란?

가상 쓰레드는 기존의 쓰레드 모델과 다르게, JVM 레벨에서 관리되는 경량 쓰레드이다. 기존의 플랫폼 쓰레드는 운영체제의 쓰레드와 1:1로 매핑되었고, 이에 따라 생성과 관리에 많은 리소스가 소모되었다. 반면, 가상 쓰레드는 JVM이 직접 관리하여 운영체제의 쓰레드 리소스를 사용하지 않으면서도 수천 개, 수만 개의 쓰레드를 동시에 생성하고 처리할 수 있게 한다.

가상 쓰레드는 '핸드 오프' 방식으로 작업을 수행하며, 블로킹 작업이 발생할 경우 자동으로 관리가 된다. 이는 특히 I/O 바운드 작업에서 유용하다. 일반적으로 많은 쓰레드가 블로킹되면 리소스가 낭비되지만, 가상 쓰레드에서는 유휴 상태의 쓰레드가 운영체제 레벨에서 비활성화되므로 리소스 효율성이 높다.

2. 가상 쓰레드의 주요 특징

가상 쓰레드는 여러 가지 장점과 함께 동작하며, 다음과 같은 주요 특징을 갖는다.

• 경량화: 가상 쓰레드는 운영체제의 쓰레드 리소스를 직접 사용하지 않기 때문에 매우 경량화되어 있다. 수천 개의 가상 쓰레드를 동시에 생성하더라도 성능 저하가 발생하지 않으며, 메모리 사용량이 훨씬 적다.
• 블로킹 지원: 기존에는 비동기 프로그래밍이 필요했지만, 가상 쓰레드를 사용하면 동기적인 코드로 블로킹 I/O를 처리할 수 있다. 이는 가독성이 높고 유지보수가 쉬운 코드를 작성할 수 있게 해준다.
• 자동 스케줄링: JVM이 가상 쓰레드를 자동으로 스케줄링하여, 쓰레드가 대기 상태에 있으면 운영체제의 쓰레드를 차지하지 않게 한다. 이를 통해 애플리케이션의 성능이 향상된다.
• 상호 작용: 기존의 플랫폼 쓰레드와 함께 사용할 수 있으므로, 기존 코드와의 호환성이 높다. 플랫폼 쓰레드에서 가상 쓰레드를 실행하거나, 가상 쓰레드에서 플랫폼 쓰레드를 호출할 수 있다.

3. 가상 쓰레드의 활용 예시

가상 쓰레드를 사용할 때는 Thread.ofVirtual().start() 메서드를 통해 쉽게 생성할 수 있다. 기존의 플랫폼 쓰레드를 생성하는 방식과 유사하며, 작업 단위를 수행하기 위한 람다 표현식 등을 전달할 수 있다.

Runnable task = () -> {
    // 실행할 작업 코드
    System.out.println("Hello from virtual thread!");
};

Thread virtualThread = Thread.ofVirtual().start(task);

가상 쓰레드는 대규모 동시성을 요구하는 애플리케이션에서 특히 유용하다.

예를 들어, 웹 서버의 클라이언트 요청을 처리할 때 수많은 요청을 개별 가상 쓰레드로 할당하여 처리하면, 서버의 부하를 줄이면서도 대량의 요청을 효율적으로 처리할 수 있다.

4. 가상 쓰레드의 내부 동작 원리

가상 쓰레드는 JVM의 쓰레드 풀에 의해 관리된다. 플랫폼 쓰레드가 가상 쓰레드 풀을 실행하고, 각 가상 쓰레드는 플랫폼 쓰레드가 할당되어야만 실행된다. 가상 쓰레드는 특정 작업이 블로킹 상태가 될 때 비활성화되며, 블로킹이 해제되면 다시 플랫폼 쓰레드에 의해 실행된다.

• 파이버(Fiber) 방식과 유사하게 작동하며, 컨텍스트 스위칭이 운영체제 레벨에서가 아닌 JVM 레벨에서 수행된다. 따라서 기존의 쓰레드 전환에 필요한 메모리와 CPU 오버헤드가 줄어든다.
• 스택 할당: 가상 쓰레드는 플랫폼 쓰레드와 다르게 작은 스택을 할당받으며, 동적으로 스택을 확장할 수 있다. 이를 통해 메모리 사용량을 효율적으로 관리한다.

5. 가상 쓰레드의 장점과 한계

가상 쓰레드는 여러 가지 장점을 제공하지만, 몇 가지 한계도 존재한다.

• 장점:
  • 많은 수의 쓰레드를 경량화된 방식으로 실행 가능하여 동시성 처리 성능이 크게 향상된다.
  • 비동기 코드 대신 동기적인 블로킹 코드를 사용하여 더 가독성 높은 코드를 작성할 수 있다.
  • 플랫폼 쓰레드와 함께 사용할 수 있어 기존 코드와의 호환성이 높다.
• 한계:
  • CPU 바운드 작업에서는 플랫폼 쓰레드와의 성능 차이가 크지 않으며, 오히려 부하가 증가할 수 있다.
  • JVM이 지원하는 기능이기 때문에, 운영체제의 스케줄링에 의존하지 않으므로 모든 경우에 최적화된 것은 아니다.
  • 플랫폼 쓰레드 기반의 로우레벨 시스템 호출과 함께 사용하기 어렵다.

6. 가상 쓰레드와 기존 쓰레드의 비교

기존의 플랫폼 쓰레드와 가상 쓰레드를 비교하면 다음과 같은 차이가 있다.

• 성능: 가상 쓰레드는 경량화된 방식으로 메모리와 CPU 리소스를 적게 사용하여, 대규모 동시성을 요구하는 작업에 더 적합하다.
• 가독성: 가상 쓰레드는 블로킹 I/O 작업을 동기적으로 처리할 수 있기 때문에, 비동기 프로그래밍보다 코드를 이해하기 쉬워진다.
• 호환성: 플랫폼 쓰레드와 함께 사용할 수 있으며, 기존의 동기 메서드 및 API를 그대로 사용할 수 있다.