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13장 동시성

written by
shinyeong
shinyeong 🏆Front End Engineer

동시성이 필요한 이유?#

  • 동시성은 '결합 coupling'을 없애는 전략이다. 즉, '무엇'과 '언제'를 분리하는 전략이다.
  • 단일 스레드 프로그램은 무엇과 언제가 서로 밀접하여 디버깅시 정지점 (breakpoint)를 정한 후 어느 정지점에 걸렸는지 살펴보며 시스템 상태를 파악한다.
  • 그러나 '무엇'과 '언제'를 분리하면 애플리케이션 구조와 효율이 극적으로 나아진다. (거대한 루프 하나가 아니라 작은 협력 프로그램 여럿)
  • 응답시간과 작업 처리량 개선을 위해서도 동시성이 필요하다.

동시성에 대한 오해를 바로잡은 특징#

  • 동시성은 다소 부하를 유발한다.
    • 성능 측면에서 부하가 걸리며, 코드도 더 짜야한다.
  • 동시성은 복잡하다
  • 일반적으로 동시성 버그는 재현하기 어렵다.
  • 동시성을 구현하려면 흔히 근본적인 설계 전략을 재고해야한다.

동시성 방어 원칙#

동시성 코드가 일으키는 문제로부터 시스템을 방어하는 원칙과 기술이다.

단일 책임 원칙(SRP)#

  • SRP는 주어진 메서드/클래스/컴포넌트를 변경할 이유가 하나여야 한다는 원칙이다.
  • 동시성 관련 코드는 다른 코드와 분리해야한다.
    • 동시성코드는 독자적인 개발, 변경, 조율주기가 있으며 그에 따라 독자적인 난관이 있기 때문이다.

따름정리 : 자료 범위를 제한하라.#

  • 객체 하나를 공유한 후 동일 필드를 수정하던 두 스레드가 서로 간섭하므로 예상치 못한 결과를 가져오기에 공유 객체를 사용하는 코드 내 '임계영역'을 synchronized 키워드로 보호하라고 권장한다. (java)

따름정리 : 자료 사본을 사용하라.#

  • 공유 자료를 줄이려면 처음부터 공유하지 않는 방법이 제일 좋다. 객체를 복사해 읽기 전용으로 사용하는 방법이 가능하다.

따름정리 : 스레드는 가능한 독립적으로 구현하라.#

  • 자신만의 세상에 존재하는 스레드를 구현한다. 즉, 다른 스레드와 자료를 공유하지 않는다.

실행 모델을 이해하라.#

  • 한정된 자원(Bound Resource) : 다중 스레드 환경에서 사용하는 자원이므로 크기나 숫자가 제한적이다.
  • 상호 배제 (Mutual Exclusion) : 한 번에 한 스레드만 공유 자료나공유 자원을 사용할 수 있는 경우.
  • 기아 (Starvation) : 한 스레드나 여러 스레드가 굉장히 오랫동안 혹은 영원히 자원을 기다린다. 예를들어, 항상 짧은 스레드에게 우선순위를 준다면, 짧은 스레드가 지속적으로 이어질 경우, 긴 스레드가 기아 상태에 빠진다.
  • 데드락 (Deadlock) : 여러 스레드가 서로 끝나길ㄹ 기다린다. 모든 스레드가 필요한 자원을 다른 스레드가 점유하는 바람에 어느 쪽도 더이상 진행하지 못함.
  • 라이브락 (Livelock) : 락을 거는 단계에서 각 스레드가 서로를 방해한다.

다중 스레드 프로그래밍에서 사용하는 실행 모델#

생산자-소비자#

  • 하나 이상 생산자 스레드가 정보를 생성해 버퍼(Buffer)나 대기열(queue)에 넣는다. 하나 이상 소비자 스레드가 대기열에서 정보를 가져와 사용한다.
  • 생산자 스레드와 소비자 스레드가 사용하는 대기열은 한정된 자원이다.
  • 생산자 스레드는 대기열에 빈 공간이 있어야 정보를 채우며 소비자 스레드는 대기열에 정보가 있어야 가져온다.
  • 따라서 잘못하면 생산자 스레드와 소비자 스레드가 둘 다 진행 가능함에도 불그하고 동시에 서로에게서 시그널을 기다릴 가능성이 존재한다.

읽기-쓰기#

  • 읽기 스레드를 위한 주된 정보원으로 공유 자원을 사용하지만 쓰기 스레드가 이 공유 자원을 이따금 갱신한다고 해보자. 이런 경우, 처리율(throughput)이 문제의 핵심이다.
  • 읽기 스레드의 요구와 쓰기 스레드의 요구를 적절히 만족시켜 처리율도 적당히 높이고 기아도 방지하는 해법이 필요하다.

식사하는 철학자들#

  • 둥근 식탁에 철학자들이 있는데 각 철학자 왼쪽에는 포크, 가운데에는 커다락 스파게티가 있다. 철학자들은 배가 고프면 양손에 포크를 집어들고 스파게티를 먹는다. 그런데 옆에 있는 철학자가 포크를 사용하는 중이라면 그 철학자가 다 먹고 나서 포크를 내려놓을때까지 기다려야 한다. 다 먹고 나면 철학자는 다시 생각에 잠긴다.
  • 이 철학자를 스레드로, 포크를 자원으로 바꾸어 생각해보자. 주의해서 설계하지 않으면, 데드락, 라이브락, 처리율 저하, 효율성 저하 등을 겪는다.
  • 그러지 않기 위해 각 알고리즘을 공부하며 해법을 직접 구현해보아야 한다.

동기화하는 메서드 사이에 존재하는 의존성을 이해하라.#

  • 동기화하는 메서드 사이에 의존성이 존재하면 동시성 코드에 찾아내기 어려운 버그가 생긴다. 고로 공유 객체 하나에는 메서드 하나만 사용하라.
  • 공유객체 하나에 여러 메서드가 필요하다면 '클라이언트에서의 잠금, 서버에서의 잠금, 연결서버'를 고려해야한다.

동기화하는 부분을 작게 만들어라#

  • 임계영역은 반드시 보호해야하나 synchronized 문을 남발하면 스레드를 지연시키고 부하를 가중시키기 때문에 임계영역의 수를 최대한 줄여야 한다.

올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다#

  • 종료 코드를 개발 초기 부터 고민하고 동작하게 초기부터 구현하라. 생각보다 어려우므로 이미 나온 알고리즘을 검토하는 것이 좋다.

스레드 코드 테스트하기#

  • 말이 안되는 실패는 잠정적인 스레드 문제로 취급하라
  • 다중 스레드를 고려하지 않은 순차 코드부터 제대로 돌게 만들자.
  • 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 다양한 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 있게 스레드 코드를 구현하라.
  • 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 상황에 맞게 조율할 수 있게 작성하라.
  • 프로세서 수 보다 많은 스레드를 돌려보라.
  • 다른 플렛폼에서 돌려보라.
  • 코드에 보조 코드 (instrument)를 넣어 돌려라. 강제로 실패를 일으키게 해보라.

자바스크립트(타입스크립트 ver)에서의 동시성#

프로미스 vs 콜백#

콜백은 명료하지 않고, 지나친 양의 중첩된 콜백 지옥을 유발할 수 있다.

콜백지옥 :

import { get } from "request";import { writeFile } from "fs";
function downloadPage(  url: string,  saveTo: string,  callback: (error: Error, content?: string) => void) {  get(url, (error, response) => {    if (error) {      callback(error);    } else {      writeFile(saveTo, response.body, (error) => {        if (error) {          callback(error);        } else {          callback(null, response.body);        }      });    }  });}
downloadPage(  "https://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Cecil_Martin",  "article.html",  (error, content) => {    if (error) {      console.error(error);    } else {      console.log(content);    }  });

Promise:

import { get } from "request";import { writeFile } from "fs";import { promisify } from "util";
const write = promisify(writeFile);
function downloadPage(url: string, saveTo: string): Promise<string> {  return get(url).then((response) => write(saveTo, response));}
downloadPage(  "https://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Cecil_Martin",  "article.html")  .then((content) => console.log(content))  .catch((error) => console.error(error));

프로미스 메서드#

패턴설명
Promise.resolve(value)해결(resolve)된 프로미스로 값을 변환함.
Promise.reject(error)거부(reject)된 프로미스로 에러를 변환함.
Promise.all(promises)전달된 모든 프로미스가 이행한 값의 배열을 이행하는 새 프로미스 객체를 반환하거나 거부된 첫 번째 프로미스의 이유로 거부함.
Promise.race(promises)전달된 프로미스의 배열에서 가장 먼저 완료된 결과/에러로 이행/거부된 새 프로미스 객체를 반환함.

프로미스보다 async/await가 더 명료#

async/await 구문을 사용하면 연결된 프로미스 구문보다 훨씬 더 명료하고 이해하기 쉬운 코드를 작성할 수 있다. async 키워드가 앞에 붙여진 함수는 await 키워드에서 코드의 실행을 멈춘다는 것을 자바스크립트 런타임에게 알려준다.

Promise:

import { get } from "request";import { writeFile } from "fs";import { promisify } from "util";
const write = util.promisify(writeFile);
function downloadPage(url: string, saveTo: string): Promise<string> {  return get(url).then((response) => write(saveTo, response));}
downloadPage(  "https://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Cecil_Martin",  "article.html")  .then((content) => console.log(content))  .catch((error) => console.error(error));

async/await:

import { get } from "request";import { writeFile } from "fs";import { promisify } from "util";
const write = promisify(writeFile);
async function downloadPage(url: string, saveTo: string): Promise<string> {  const response = await get(url);  await write(saveTo, response);  return response;}
// somewhere in an async functiontry {  const content = await downloadPage(    "https://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Cecil_Martin",    "article.html"  );  console.log(content);} catch (error) {  console.error(error);}

결론#

다중 스레드 코드는 올바로 구현하기 어렵다. 올바로 구현하기 위해서 먼저 SRP를 준수해야한다. 더불어 동시성 오류를 일으키는 잠정적인 원인을 철저히 이해해야한다. 나아가 사용하는 라이브러리와 기본 알고리즘을 이해하여 적용해야한다. 그러나 어떻게든 문제는 생긴다. 그러므로 스레드 코드는 많은 플렛폼에서 많은 설정으로 반복해서 계속 테스트 해야한다. 테스트 용이성은 TDD 3대 규칙을 따르면 자연히 얻어진다.