자바 가상 스레드: 동시성 프로그래밍의 새로운 지평을 열다

서론: 동시성 프로그래밍, 더 이상 복잡할 필요는 없다

자바 개발자라면 동시성 프로그래밍의 어려움을 한 번쯤 경험했을 것입니다. 수많은 사용자 요청을 처리해야 하는 현대 웹 서비스에서, 효율적인 자원 관리와 높은 처리량(throughput)은 필수적입니다. 기존의 자바 스레드는 운영체제 스레드와 1:1로 매핑되는 ‘플랫폼 스레드(Platform Thread)’ 방식으로 동작했습니다. 이는 개발 편의성을 제공했지만, 스레드 생성 및 관리 비용이 커서 대규모 동시 요청 처리에는 한계가 있었습니다. 특히, I/O 작업에서 스레드가 블로킹되면 다른 작업을 수행하지 못하고 대기하여 자원 낭비를 초래했죠.

이러한 문제를 해결하기 위해 비동기 프로그래밍 모델(콜백, 퓨처, 리액티브 프로그래밍 등)이 등장했지만, 이는 코드 복잡성 증가라는 또 다른 숙제를 안겨주었습니다. 하지만 이제 자바에는 이 모든 고민을 해결해 줄 강력한 해법이 등장했습니다. 바로 가상 스레드(Virtual Threads)입니다.

본문: 가상 스레드, 무엇이며 왜 주목해야 하는가?

1. 가상 스레드란 무엇인가?

자바 가상 스레드는 경량(lightweight) 사용자 모드 스레드로, JVM이 직접 관리합니다. 기존 플랫폼 스레드와 달리, 가상 스레드는 훨씬 적은 메모리를 사용하며 생성 및 전환 비용이 매우 낮습니다. 수십만, 나아가 수백만 개의 가상 스레드를 동시에 생성하고 실행할 수 있도록 설계되었습니다. JVM은 내부적으로 소수의 플랫폼 스레드(캐리어 스레드, Carrier Threads)에 이 많은 가상 스레드를 ‘마운트(mount)’하여 실행하며, 가상 스레드가 I/O 작업으로 인해 블로킹되면 자동으로 다른 가상 스레드를 캐리어 스레드에 마운트하여 자원 활용률을 극대화합니다. 이는 자바의 Project Loom을 통해 구현되었습니다.

2. 가상 스레드가 가져올 혁신적인 변화

가상 스레드는 주로 I/O-Bound 애플리케이션의 성능과 개발 편의성을 혁신적으로 개선합니다.

극대화된 확장성(Scalability): 기존에는 수천 개의 동시 연결을 처리하려면 스레드 풀 크기를 신중하게 조절해야 했지만, 가상 스레드를 사용하면 스레드 수에 대한 제약이 거의 사라집니다. 각 요청마다 새로운 가상 스레드를 생성해도 자원 부담이 미미하여, 훨씬 많은 동시 요청을 효율적으로 처리할 수 있습니다.
단순해진 코드(Simplicity): 비동기 논리(콜백, 논블로킹 API)를 사용하지 않고도, 마치 동기 코드처럼 자연스럽게 순차적인 방식으로 비즈니스 로직을 작성할 수 있습니다. I/O 블로킹 걱정 없이 Thread.sleep()이나 블로킹 I/O 호출을 마음껏 사용할 수 있게 됩니다. 이는 코드 가독성을 높이고 디버깅을 용이하게 만듭니다.
효율적인 자원 활용(Efficiency): 가상 스레드가 I/O 대기 상태에 들어가면 캐리어 스레드는 즉시 다른 가상 스레드를 실행하여 CPU 유휴 시간을 줄입니다. 이는 서버의 처리량(throughput)을 크게 향상시키고 운영 비용을 절감하는 효과를 가져옵니다.

3. 가상 스레드 사용 예시

가상 스레드를 생성하는 방법은 매우 간단합니다. 기존의 new Thread()와 유사하게 Thread.ofVirtual().start()를 사용하거나, Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()를 통해 가상 스레드 풀을 활용할 수 있습니다.

import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadFactory;
import java.util.stream.IntStream;

public class VirtualThreadExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("가상 스레드 시작!");

        // 1. Thread.ofVirtual()를 이용한 개별 가상 스레드 생성
        Thread virtualThread = Thread.ofVirtual().name("my-virtual-thread").start(() -> {
            System.out.println("Hello from " + Thread.currentThread().getName());
            try {
                Thread.sleep(100); // 블로킹 I/O 작업 시뮬레이션
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 작업 완료.");
        });

        virtualThread.join(); // 가상 스레드가 완료될 때까지 대기

        System.out.println("---");

        // 2. Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()를 이용한 가상 스레드 풀
        try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
            IntStream.range(0, 5).forEach(i ->
                executor.submit(() -> {
                    System.out.println("Executor 스레드 " + i + ": " + Thread.currentThread().getName());
                    try {
                        Thread.sleep(50); // 블로킹 I/O 작업 시뮬레이션
                    } catch (InterruptedException e) {
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }
                })
            );
        } // try-with-resources가 자동으로 Executor를 닫고 모든 작업 완료를 기다림

        System.out.println("모든 가상 스레드 작업 완료. 메인 스레드 종료.");
    }
}

코드 설명: 위 예제에서는 Thread.ofVirtual().start()를 통해 하나의 가상 스레드를 만들고, Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()를 사용하여 여러 개의 가상 스레드를 쉽게 관리하는 방법을 보여줍니다. 각 가상 스레드는 Thread.sleep()을 통해 I/O 블로킹 상황을 시뮬레이션하지만, 이는 캐리어 스레드를 효율적으로 공유하며 백그라운드에서 처리됩니다.

결론: 자바 동시성의 미래를 열다

자바 가상 스레드는 I/O-Bound 애플리케이션의 개발 방식과 성능에 있어 패러다임의 전환을 가져올 중요한 기술입니다. 복잡한 비동기 로직 없이도 손쉽게 고성능의 확장 가능한 서비스를 구축할 수 있게 됨으로써, 개발 생산성을 크게 높이고 유지보수 비용을 절감할 수 있습니다. 이미 자바의 다양한 프레임워크와 라이브러리들이 가상 스레드 지원을 강화하고 있으며, 이를 적극적으로 활용하는 것은 현대 자바 애플리케이션 개발에 필수적인 역량이 될 것입니다.

이제 복잡한 동시성 문제에 골머리를 앓기보다, 가상 스레드의 힘을 빌려 더욱 강력하고 효율적인 자바 애플리케이션을 만들어보세요!

Text by Chaelin & Gemini. Photographs by Chaelin, Unsplash.

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