Spring 비동기 프로그래밍(@Async)과 ThreadPool 이해

Spring에서 비동기 프로그래밍을 활용하면, 메인 스레드가 직접 작업을 수행하지 않고, 별도의 스레드를 활용하여, 작업을 처리하여, 성능을 최적화하고 응답속도를 개선할 수 있습니다. 아래에서 Spring의 @Async , ThreadPool 개념 및 다양한 예제 등을  통해 이해해보겠습니다

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1. 비동기 프로그래밍이란?

Main Thread가 직접 작업을 처리하지 않고, Sub Thread에게 작업을 위임하여 병렬적으로 실행하는 프로그래밍 방식

• 작업이 끝날 때까지 기다리지 않고, 다른 작업을 동시에 진행할 수 있습니다.

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✅ 언제 사용하면 좋을까?

• • 실시간 응답이 필요하지 않은 작업을 처리할 때 비동기(Async) 방식을 사용하면 효율적입니다.
  • 예시 : 이메일 전송, 알림(Notification) 처리, Push 알림, 파일 업로드/다운로드, 데이터 백업/배치 작업 등등

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2. 스레드(Thread)와 스레드풀(Thread Pool)의 필요성

✅ 스레드를 직접 생성할 경우 문제점

• `new Thread()`를 사용할 경우 매번 새로운 스레드가 생성되므로, 과도한 스레드 생성은 CPU/메모리 과부하를 유발할 수 있습니다.
• 너무 많은 스레드가 생성되면 컨텍스트 스위칭(Context Switching) 비용 증가로 인해 성능 저하가 발생합니다.
  
• 또한 각 스레드는 메모리를 차지하며, 과도한 스레드 생성은 OutOfMemoryError를 유발할 가능성이 있습니다

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✅ 스레드풀(Thread Pool) 도입

미리 일정 개수의 스레드를 생성해놓고, 작업 요청이 들어오면 해당 스레드를 재사용하여 처리

• 불필요한 스레드 생성을 줄이거나, 스레드 개수를 제한하여 시스템 리소스를 보호하고, 안정적인 성능을 유지 할 수 있습니다.
• 또한 대량의 요청을 효과적으로 처리할 수 있도록 스레드 대기열(Work Queue)을 활용할 수 있습니다.
• Java에서는`ThreadPoolExecutor`를 사용하여 관리하고, Spring에서는`ThreadPoolTaskExecutor`를 통해 손쉽게 스레드풀을 활용할 수 있습니다. `ThreadPoolExecutor` 와 `ThreadPoolTaskExecutor` 의 차이는 아래와 같습니다. 
  

  비교 항목	ThreadPoolExecutor (Java 기본)	ThreadPoolTaskExecutor (Spring 제공)
  제공 주체	Java (JDK)	Spring Framework
  Spring과 연동	❌ (Spring과 무관)	✅ (Spring과 통합)
  Bean 등록	❌ (직접 관리)	✅ (@Bean으로 관리 가능)
  예외 처리	❌ 직접 처리 필요	✅ Spring이 감지 가능
  로깅 (MDC)	❌ 지원 안함	✅ 로깅 시스템과 연동 가능
  설정 방식	직접 인스턴스 생성	@Bean으로 설정 가능
  사용 용도	일반적인 멀티스레딩	Spring의 비동기 처리 (@Async)

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3. ThreadPoolExecutor

스레드풀의 동작 원리는 스레드 개수, 대기열(Queue), 최대 스레드 개수, 스레드 유지 시간 등에 따라 결정

✅ThreadPoolExecutor의 주요 옵션

ThreadPoolExecutor 생성자

옵션	설명
CorePoolSize	기본적으로 유지할 최소 스레드 개수
MaxPoolSize	허용할 최대 스레드 개수
KeepAliveTime	`CorePoolSize` 초과 스레드가 유휴 상태일 경우 얼마나 유지할지 설정
WorkQueue (대기열, BlockingQueue)	처리할 작업을 보관하는 큐 (대기 작업 저장소)
KeepAliveTime	`CorePoolSize` 초과 스레드가 유휴 상태일 경우 얼마나 유지할지 설정
ThreadFactory	새로운 스레드를 생성할 때 사용되는 팩토리 객체를 지정. (기본적으로 `Executors.defaultThreadFactory()`)를 사용
RejectedExecutionHandler	큐가 가득 찼을 때의 처리 방법 설정. ( 기본적으로 AbortPolicy(예외 발생)로 설정)

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✅예제 코드 분석

ThreadPoolExecutor executorPool =
    new ThreadPoolExecutor(5, 10, 3, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(50));

1. 최대 5개의 스레드를 생성하여 기본 작업을 처리합니다. `CorePoolSize (5)`
2. 추가적인 작업이 들어오면 50개까지 대기열(Queue)에 저장합니다. `ArrayBlockingQueue<>(50)`
3. 대기열이 가득 차면, 10개까지 추가적인 스레드를 생성합니다. `MaxPoolSize (10) `
4. 10개의 스레드도 모두 바쁘고, 대기열이 가득 찼다면 작업이 거부됩니다.
5. 추가로 생성된 (5개 초과) 스레드는 3초 동안 유휴 상태가 유지되면 제거됩니다. ` KeepAliveTime (3초), TimeUnit.SECONDS `

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4. Spring @Async와 ThreadPool 설정

Spring에서 `@Async`를 활성화하고,`ThreadPool` 설정을 해주지 않으면, 기본적으로 `SimpleAsyncTaskExecutor `가 사용

✅ 기본 스레드풀 SimpleAsyncTaskExecutor의 특징

• 작업이 들어올 때마다 새로운 스레드를 생성
• 스레드 풀링(재사용) 기능 없음
• 스레드 개수 제한 없음 → CPU 및 메모리 과부하 위험
• 빠르게 실행되는 작은 작업에 적합

그러나 대량의 요청이나 복잡한 계산 작업 등의 조건을 고려하여 처리하려면 `ThreadPool`을 설정해주어야 합니다.

Spring에서는 `ThreadPoolTaskExecutor`를 통해 스레드풀을 손쉬운 설정이 가능합니다.

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✅ Spring ThreadPool 설정 예제

기본적인 @Async 설정

@Configuration
@EnableAsync  // 비동기 기능 활성화
public class AsyncConfig {
}

• `@EnableAsync`를 선언하면 Spring이 자동으로 비동기 실행을 지원.

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ThreadPool 설정 예제

@Configuration
public class AppConfig {
	@Bean(name = "taskExecutor")
	public ThreadPoolTaskExecutor taskExecutor() {
    	ThreadPoolTaskExecutor executor = new ThreadPoolTaskExecutor();
    	executor.setCorePoolSize(10);  // 최소 10개의 스레드 유지
    	executor.setMaxPoolSize(50);   // 최대 50개까지 확장 가능
   		executor.setQueueCapacity(100); // 대기 큐 크기 설정
    	executor.setKeepAliveSeconds(30); // 유휴 스레드 유지 시간
    	return executor;
	}
}

• `@Bean`으로 등록해서 `taskExecutor`이라는 스레드 풀 이름을 지정해줄 수 있습니다. 
• 최소 10개, 최대 50개 스레드 사용
• 대기 큐(WorkQueue) 크기: 100
• 30초 동안 사용하지 않으면 유휴 스레드 제거

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✅ @Async 사용 예제

@Service
public class EmailService {

    @Async("taskExecutor")  // taskExecutor 스레드풀 사용
    public void sendEmail() {
        System.out.println("Sending email on thread: " + Thread.currentThread().getName());
    }
}

• `@Async("taskExecutor")`를 사용하면 설정한 스레드풀을 사용하여 비동기 실행

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5. @Async와 SpringAOP

✅ @Async가 동작하는 원리

• `@Async`는 Spring AOP를 기반으로 동작합니다.
• `@Async`가 선언된 메서드는 Spring AOP 프록시를 통해 비동기 실행을 담당하는 별도 스레드에서 실행됩니다.
• 내부적으로는 Spring의 TaskExecutor(기본적으로 SimpleAsyncTaskExecutor 또는 사용자가 설정한 ThreadPoolTaskExecutor)를 활용하여 비동기 처리를 수행합니다.

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✅ Spring AOP의 프록시 방식

• Spring AOP는 프록시(Proxy) 패턴을 사용하여 메서드 실행을 가로채서 추가적인 기능(예: 비동기 실행, 트랜잭션 관리 등)을 적용합니다. Spring AOP는 다음 두 가지 방식 중 하나를 사용하여 프록시를 생성합니다.

1. JDK 동적 프록시 (인터페이스 기반)
   • 클래스가 인터페이스를 구현하고 있다면, Spring은 JDK 동적 프록시(java.lang.reflect.Proxy)를 생성합니다.
   • 이 경우, 프록시는 인터페이스를 기반으로 동작하므로, 인터페이스를 통해서만 해당 객체에 접근할 수 있습니다.
2. CGLIB 프록시 (클래스 기반)
   • 클래스가 인터페이스를 구현하지 않으면, Spring은 CGLIB(Code Generation Library) 프록시를 사용하여 클래스를 직접 상속하는 방식으로 프록시 객체를 생성합니다.
   • CGLIB는 바이트코드를 조작하여 원본 클래스를 상속하는 새로운 클래스를 동적으로 생성합니다.

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✅ @Async 주의점

`@Async`는  Spring AOP를 기반으로 동작하기때문에, 다음과 같은 상황을 주의해서 사용해야합니다.

🚨@Async 메서드 내 예외 처리 주의

• `@Async` 메서드에서 예외가 발생해도 호출자에게 예외가 전파되지 않습니다.
• 이는 `@Async` 메서드가 다른 스레드에서 실행되기 때문에, 호출자와 예외 컨텍스트가 분리되어 있기 때문입니다.
• 즉 예외가 발생해도 로그에만 남고, 호출자에서는 예외를 감지할 수 없습니다.
•  예외를 처리하기 위해서는 `UncaughtExceptionHandler`를 등록하여 비동기 예외를 전역적으로 처리해야합니다.

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🚨같은 클래스 내에서 @Async 메서드를 직접 호출X

• `@Async`는 Spring AOP 프록시를 통해 실행될 때만 비동기 실행됩니다.
• 같은 클래스 내부에서 `@Async`가 선언된 메서드를 직접 호출하면, 프록시 객체가 아닌 원본 객체의 메서드를 호출하므로, 비동기 실행되지 않고 동기로 실행되어 `@Async`가 동작하지 않습니다.

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🚨@Async와 @Transactional을 함께 사용할 때의 문제

• `@Transactional`은 트랜잭션 컨텍스트를 현재 실행 중인 스레드에 바인딩합니다.
• 하지만 `@Async`는 새로운 스레드에서 실행되므로, 기존 트랜잭션 컨텍스트를 상속받지 않습니다.
• 즉, 비동기 실행된 메서드에서는 기존 트랜잭션과 분리되어, `@Transactional`이 적용되지 않거나, 데이터베이스 변경 사항이 커밋되지 않는 등의 문제가 발생할 수 있습니다.

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🚨new 키워드로 객체를 생성하여 @Async 메서드 호출

• Spring의 `@Async`는 Spring 컨테이너가 관리하는 Bean에만 적용됩니다.
• `new` 키워드로 직접 객체를 생성하면 Spring이 제공하는 AOP 프록시를 거치지 않으므로, @Async가 동작하지 않습니다.

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🚨ThreadPool 설정 고려

• `@Async`를 사용할 때, 스레드풀을 설정하지 않으면 앞에서 알아본 것 처럼 Spring의 기본 `SimpleAsyncTaskExecutor`가 사용됩니다.
• `SimpleAsyncTaskExecutor`는 새로운 요청이 들어올 때마다 새로운 스레드를 생성하므로 대량의 요청이나 복잡한 계산 작업 등에서 스레드 과부하 발생 가능성이 있습니다.
• 따라서 상황에따라, `ThreadPoolTaskExecutor`를 통해 스레드풀을 설정하여, 스레드 개수를 제한하고, 효율적인 리소스 관리를 고려해야합니다.