[클린코드(CleanCode)] 13장 동시성

개요

이 장에서는 여러 스레드를 동시에 돌리는 이유를 논한다.

여러 스레드를 동시에 돌리는 어려움도 논한다.

이런 어려움에 대처하고 깨끗한 코드를 작성하는 방법도 몇 가지 제안한다.

마지막으로, 동시성을 테스트하는 방법과 문제점을 논한다.

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동시성이 필요한 이유?

동시성은 결합을 없애는 전략이다. 즉, 무엇과 언제를 분리하는 전략이다.

스레드가 하나인 프로그램은 무엇과 언제가 서로 밀접하다.
그래서 호출 스택을 살펴보면 프로그램 상태가 곧바로 드러난다.
흔히 단일 스레드 프로그램은 정지점(breakpoint)을 정한 후 어느 정지점인지 살펴보면서 시스템 상태를 파악한다.

무엇과 언제를 분리하면 애플리케이션 구조와 효율이 극적으로 나아진다.
구조적인 관점에서 프로그램은 거대한 루프 하나가 아니라 작은 협력 프로그램 여럿으로 보인다.
따라서 시스템을 이해하기가 쉽고 문제를 분리하기도 쉽다.

구조적 개선만을 위해 동시성을 채택하는 것은 아니다.
어떤 시스템은 응답 시간과 작업 처리량(throughput) 개선을 위해 사용하기도 한다.

 

미신과 오해

동시성이 반드시 필요한 상황이 존재하지만 각별히 주의하지 않는다면 난감한 상황이 처한다.

 

1) 동시성과 관련한 일반적인 미신과 오해

 

동시성은 항상 성능을 높여준다

• 동시성은 때로 성능을 높여준다. 대기 시간이 길어 여러 스레드가 프로세서를 공유할 수 있거나, 여러 프로세서가 동시에 처리할 독립적인 계산이 충분한 경우에만 성능이 높아진다.

동시성을 구현해도 설계는 변하지 않는다

• 단일 스레드와 다중 스레드의 시스템은 설계가 판이하게 다르다. 일반적으로 무엇과 언제를 분리하면 시스템 구조가 크게 달라진다.

웹 또는 EJB 컨테이너를 사용하면 동시성을 이해할 필요가 없다

• 실제로 컨테이너가 어떻게 동작하는지, 어떻게 동시 수정, 데드락 등과 같은 문제를 피할 수 있는지를 알아야만 한다.

2) 동시성과 관련한 타당한 생각

 

동시성은 다소 부하를 유발한다

• 성능 측면에서 부하가 걸리며, 코드도 더 짜야 한다.

동시성은 복잡하다.

 

일반적으로 동시성 버그는 재현하기 어렵다

• 결함으로 간주되지 않고 일회성 문제로 여겨 무시되기 쉽다.

동시성을 구현하려면 흔히 근본적인 설계 전략을 재고해야 한다.

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난관

동시성을 구현하기 어려운 이유는 무엇일까?

public class X {
	private int lastIdUsed;

	public int getNextId() {
		return ++lastIdUsed;
	}
}

인스턴스 X를 생성하고, lastIdUsed 를 42로 설정한 다음, 두 스레드가 해당 인스턴스를 공유한다.
두 스레드가 getNextId();를 호출한다면, 결과는 셋 중 하나다.

 

• 한 스레드는 43을 받는다. 다른 스레드는 44를 받는다. lastIdUsed는 44가 된다.
• 한 스레드는 44를 받는다. 다른 스레드는 43을 받는다. lastIdUsed는 44가 된다.
• 한 스레드는 43을 받는다. 다른 스레드는 43를 받는다. lastIdUsed는 44가 된다.

객체 하나를 공유한 후 동일 필드를 수정하던 두 스레드가 서로 간섭하므로 예상치 못한 결과를 내놓는다.

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동시성 방어 원칙

지금부터 동시성 코드가 일으키는 문제로부터 시스템을 방어하는 원칙과 기술을 소개한다.

 

1) 단일 책임 원칙(SRP)

주어진 메서드/클래스/컴포넌트를 변경할 이유가 하나여야 한다는 원칙이다.

동시성은 복잡성 하나만으로도 따로 분리할 이유가 충분하다. 

즉, 동시성 관련 코드는 다른 코드와 분리해야 한다.

• 동시성 코드는 독자적인 개발, 변경, 조율 주기가 있다.
• 동시성 코드에는 독자적인 난관이 있다. 다른 코드에서 겪는 난관과 다르며 훨씬 어렵다.
• 잘못 구현한 동시성 코드는 별의별 방식으로 실패한다. 주변에 있는 다른 코드가 발목을 잡지 않더라도 동시성 하나만으로도 충분히 어렵다.

권장사항: 동시성 코드는 다른 코드와 분리하라.

 

2) 따름 정리(corollary): 자료 범위를 제한하라

앞서 봤듯이, 객체 하나를 공유한 후 동일 필드를 수정하던 두 스레드가 서로 간섭하므로 예상치 못한 결과를 내놓는다.

이런 문제를 해결하기 위해, 공유 객체를 사용하는 코드 내 임계 영역을 synchronized 키워드로 캡슐화하여 보호해야 한다.

이런 임계 영역의 수를 줄이는 기술도 중요하다.

공유 자료를 수정하는 위치가 많을수록 위험성도 커진다.

• 보호할 임계 영역을 빼먹는다. 그래서 공유 자료를 수정하는 모든 코드를 망가뜨린다.
• 모든 임계 영역을 올바로 보호했는지 확인하느라 똑같은 노력과 수고를 반복한다.
• 그렇지 않아도 찾아내기 어려운 버그가 더욱 찾기 어려워진다.

권장사항: 자료를 캡슐화하라. 공유 자료를 최대한 줄여라.

 

3) 따름 정리: 자료 사본을 사용하라

공유 자료를 줄이려면 처음부터 사용하지 않는 방법이 제일 좋다.

객체를 복사해 읽기 전용으로 사용하거나 사용 후 결과를 가져오지 않는 방법도 가능하다.

 

4) 따름 정리: 스레드는 가능한 독립적으로 구현하라

다른 스레드와 자료를 공유하지 않는다.

각 스레드는 클라이언트 요청 하나를 처리한다.

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라이브러리를 이해하라

자바 5는 동시성 측면에서 이전 버전보다 많이 나아졌다.

스레드 코드를 구현한다면 다음을 고려하기 바란다.

• 스레드 환경에 안전한 컬렉션을 사용한다. (자바 5부터 제공)
• 서로 무관한 작업을 수행할 때는 executer 프레임워크를 사용한다.
• 가능하면 스레드가 차단(blocking) 되지 않는 방법을 사용한다.
• 일부 클래스 라이브러리는 스레드에 안전하지 못하다.

스레드 환경에 안전한 컬렉션

좀 더 복잡한 동시성 설계를 지원하고자 자바 5에는 다른 클래스도 추가되었다.

ReentrantLock	한 메서드에서 잠그고 다른 메서드에서 푸는 락(lock)이다.
Semaphore	전형적인 세마포어다. 개수(count)가 있는 락이다.
CountDownLatch	지정한 수만큼 이벤트가 발생하고 나서야 대기 중인 스레드를 모두 해제하는 락이다.  모든 스레드에게 동시에 공평하게 시작할 기회를 준다.

 

권장사항: 언어가 제공하는 클래스를 검토하라.

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실행 모델을 이해하라

다중 스레드 애플리케이션을 분류하는 방식은 여러 가지다.

구체적으로 논하기 전에 먼저 몇 가지 기본 용어부터 이해하자.

한정된 자원(Bound Resource)	다중 스레드 환경에서 사용하는 자원으로 크기나 숫자가 제한적이다.  데이터베이스 연결, 길이가 일정한 읽기/쓰기 버퍼 등이 예이다.
상호 배제(Mutual Exclusion)	한 번에 한 스레드만 공유 자료나 자원을 사용할 수 있다.
기아(Starvation)	한 스레드나 여러 스레드가 굉장히 오랫동안 혹은 영원히 자원을 기다린다.
데드락(Deadlock)	여러 스레드가 서로가 끝나기를 기다린다.  모든 스레드가 각기 필요한 자원을 다른 스레드가 점유하는 바람에 어느 쪽도 더 이상 진행하기 못한다.
라이브락(Livelock)	락을 거는 단계에서 각 스레드가 서로를 방해한다.  스레드는 계속해서 진행하려 하지만, 공명(resonance)으로 인해 오랫동안 진행하지 못한다.

기본 개념을 이해했으니 이제 다중 스레드 프로그래밍에서 사용하는 실행 모델을 몇 가지 살펴보자.

 

1) 생산자-소비자(Producer-Consumer)

하나 이상 생산자 스레드가 정보를 생성해 버퍼나 대기열에 넣는다.

하나 이상 소비자 스레드가 대기열에서 정보를 가져와 사용한다.

 

두 스레드가 사용하는 대기열은 한정된 자원이다.

생산자 스레드는 대기열에 빈 공간이 있어야 정보를 채운다. 즉, 빈 공간이 생길 때까지 기다린다.

소비자 스레드는 대기열에 정보가 있어야 가져온다. 즉, 정보가 채워질 때까지 기다린다.

 

따라서 잘못하면 두 스레드 모두 진행 가능함에도 불구하고 동시에 서로에게 시그널을 기다릴 가능성이 존재한다.

 

2) 읽기-쓰기(Readers-Writers)

읽기 스레드는 주된 정보원으로 공유 자원을 사용하지만

쓰기 스레드가 공유 자원을 가끔 갱신한다고 하자.

 

이런 경우 처리율이 문제의 핵심인데 처리율을 강조하면 기아 현상이 생기거나 오래된 정보가 쌓일 수 있다.

대개는 쓰기 스레드가 버퍼를 오랫동안 점유하는 바람에 여러 읽기 스레드가 버퍼를 기다리느라 처리율이 떨어진다.

 

따라서 읽기 스레드의 요구와 쓰기 스레드의 요구를 적절히 만족시켜 처리율도 적당히 높이고 기아도 방지해야 한다.

 

3) 식사하는 철학자들

둥근 식탁에 철학자 무리가 둘러앉았고, 각 철학자 왼쪽에는 포크가 놓였다.

식탁 가운데는 커다란 스파게티 한 접시가 놓였다.

배 안 고플 땐 생각하다가 배고프면 양손에 포크를 쥐고 스파게티를 먹는다.

한 철학자가 포크를 사용하면 한 철학자는 기다려야 한다.

 

여기서 철학자를 스레드로 포크를 자원으로 바꿔 생각해 보자.

기업 애플리케이션은 여러 프로세스가 자원을 얻으려 경쟁한다.

주의해서 설계하지 않으면 데드락, 라이브락, 처리율 저하, 효율성 저하 등을 겪을 수 있다.

 

권장사항: 위에서 설명한 기본 알고리즘과 각 해법을 이해하라.

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동기화하는 메서드 사이에 존재하는 의존성을 이해하라

동기화하는 메서드 사이에 의존성이 존재하면 동시성 코드에 찾아내기 어려운 버그가 생긴다.

 

권장사항: 공유 객체 하나에는 메서드 하나만 사용해야 한다.

 

공유 객체 하나에 여러 메서드가 필요한 상황도 생긴다.

그럴 때는 다음 세 가지 방법을 고려한다.

• 클라이언트에서 잠금
  클라이언트에서 첫 번째 메서드를 호출하기 전에 서버를 잠근다. 마지막 메서드를 호출할 때까지 잠금을 유지한다.
• 서버에서 잠금
  서버에 '서버를 잠그고 모든 메서드를 호출한 후 잠금을 해제하는 메서드'를 구현한다. 클라이언트는 이 메서드를 호출한다.
• 연결 서버
  잠금을 수행하는 중간 단계를 생성한다. '서버에서 잠금'방식과 유사하지만 원래 서버는 변경하지 않는다.

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동기화하는 부분을 작게 만들어라

자바에서 synchronized 키워드를 사용하면, 같은 락으로 감싼 모든 코드 영역은 한 번에 한 스레드만 실행이 가능하다.

락은 스레드를 지연시키고 부하를 가중시키므로 임계 영역 수를 최대한 줄여야 한다.

그러나 수를 줄인다고 필요 이상으로 임계 영역 크기를 키우면 스레드 간에 경쟁이 늘어나고 프로그램 성능이 떨어진다.

 

권장사항: 동기화하는 부분을 최대한 작게 만들어라.

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올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다

깔끔하게 종료되는 코드는 올바로 구현하기 어렵다.

가장 흔히 발생하는 문제가 데드락이다.

즉, 스레드가 절대 오지 않을 시그널을 기다린다.

예를 들어, 부모 스레드가 자식 스레드를 여러 개 만든 후 종료시키려는 데 만약 자식 스레드 중 하나가 데드락에 걸렸다면 부모 스레드는 영원히 기다려야 한다.

 

권장사항: 종료 코드를 개발 초기부터 고민하고 동작하게 초기부터 구현하라. 생각보다 어려우므로 이미 나온 알고리즘을 검토하라.

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스레드 코드 테스트하기

스레드 코드를 올바르다고 증명하기는 어렵지만 충분한 테스트는 위험을 낮춘다.

 

권장사항: 문제를 노출하는 테스트 케이스를 작성하라. 프로그램 설정과 시스템 설정과 부하를 바꿔가며 자주 돌려라. 테스트가 실패하면 원인을 추적하라. 그냥 넘어가면 절대로 안 된다.

 

고려할 사항이 아주 많다는 뜻이다.

아래에 몇 가지 구체적인 지침을 제시한다.

• 말이 안 되는 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 있도록 스레드 코드를 구현하라.
• 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 상황에 맞춰 조정할 수 있게 작성하라.
• 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌려보라.
• 다른 플랫폼에서 돌려보라.
• 코드에 보조 코드를 넣어 돌려라. 강제로 실패를 일으키게 해보라.

1) 말이 안 되는 실패는 스레드 문제일 것이라 취급하라

대다수 개발자는 스레드가 다른 코드와 교류하는 방식을 직관적으로 이해하지 못한다.

스레드의 버그는 아주 드물게 나타나며 실패를 재현하기 어려워서 '일회성' 문제로 치부된다.

 

일회성 문제라고 무시한다면 잘못된 코드 위에 코드가 계속 쌓이게 된다.

 

권장사항: 시스템 실패를 '일회성'으로 치부하지 말 것

 

2) 다중 스레드를 고려하지 않은 순차 코드부터 제대로 돌게 만들자

스레드 환경 밖에서 코드가 제대로 실행되는지 확인한다.

POJO는 스레드를 몰라서 스레드 환경 밖에서 테스트가 가능하다.

 

권장사항: 스레드 환경 밖과 안에서 생긴 버그를 동시에 디버깅하지 말고, 먼저 스레드 환경 밖에서 올바로 돌려라.

 

3) 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 다양한 환경에서 쉽게 실행할 수 있도록 구현하라

다중 스레드를 쓰는 코드를 다양한 설정으로 실행하기 쉽게 구현하라.

• 한 스레드로 실행하거나, 여러 스레드로 실행하거나, 실행 중 스레드 수를 바꿔본다.
• 스레드 코드를 실제 환경이나 테스트 환경에서 돌려본다.
• 테스트 코드를 빨리, 천천히, 다양한 속도로 돌려본다.
• 반복 테스트가 가능하도록 테스트 케이스를 작성한다.

권장사항: 다양한 설정에서 실행할 목적으로 다른 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 있게 코드를 구현하라.

 

4) 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 상황에 맞춰 조정할 수 있도록 작성하라

적절한 스레드 개수를 파악하기 어렵기 때문에 스레드 개수를 조율하기 쉽게 코드를 구현한다.

프로그램 처리율과 효율에 따라 스스로 스레드 개수를 조율하는 코드도 고민한다.

 

5) 프로세서 수보다 많은 스레드를 실행해볼 것

시스템이 스레드를 스와핑swapping할 때도 문제가 발생한다.

스와핑을 일으키려면 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌린다.

스와핑이 잦을수록 임계영역을 빼먹은 콛나 데드락을 일으키는 코드를 찾기 쉬워진다.

 

6) 다른 플랫폼에서 실행해 볼 것

다중 스레드 코드는 플랫폼(운영체제)마다 다르게 돌아간다.

플랫폼마다 스레드를 처리하는 정책이 다르기 때문이다.

권장사항: 처음부터, 자주 모든 목표 플랫폼에서 코드를 실행할 것

 

7) 코드에 보조 코드를 넣어 강제로 실패하게 해보라

스레드 코드는 실패가 실행될 확률이 저조하기 때문에 오류를 찾기 쉽지 않다.

보조 코드를 추가해 코드가 실행되는 순서를 바꿔준다.

각 메서드는 스레드가 실행되는 순서에 영향을 미친다.

따라서 버그가 드러날 가능성도 높아진다.

 

코드에 보조 코드를 추가하는 방법은 두 가지다.

• 직접 구현하기
• 자동화

8) 직접 구현하기

코드에다 직접 메서드 추가. 까다로운 코드를 테스트할 때 적합하다.

만약 보조 코드를 넣었는데 오류가 발생한다면, 원래 잘못된 코드여서 오류가 드러났을 뿐이다.

 

이 방법에는 여러 문제점이 있다.

• 보조 코드를 삽입할 적정 위치를 직접 찾아야 한다.
• 배포 시 보조 코드를 남겨두면 프로그램 성능이 떨어진다.
• 오류가 드러날 수도 그렇지 않을 수도 있다.. 드러나지 않을 확률이 더 높다.

배포 환경이 아닌 테스트 환경에서도 보조 코드를 실행하고, 실행 때마다 설정을 바꿔줘야 오류가 드러날 확률이 높아진다.

POJO와 스레드를 제어하는 클래스로 프로그램을 분할하면 보조 코드를 추가할 위치를 찾기 쉬워진다.

 

9) 자동화

보조 코드를 자동으로 추가하려면 AOP(Aspect-Oriented Framework), CGLIB, ASM 등 사용한다.

 

코드를 흔드는 이유는 스레드를 매번 다른 순서로 실행하기 위해서다.

좋은 테스트 케이스와 흔들기 기법은 오류가 드러날 확률을 크게 높여준다.

 

권장사항: 흔들기 기법을 사용해 오류를 찾아내라.

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결론

다중 스레드 코드는 올바로 구현하기 어렵다.

주의해서 짜는 법을 알려준다.

• SRP(Single Responsibility Principle)를 준수한다.
• POJO를 사용하여 스레드를 아는 코드와 모르는 코드를 분리한다.
• 스레드 코드를 테스트할 때는 전적으로 스레드 코드만 테스트한다.
• 동시성 오류를 일으키는 잠정적인 원인을 이해한다.
• 사용하는 라이브러리와 기본 알고리즘을 이해한다.
• 보호할 코드 영역을 찾아내는 방법과, 특정 코드 영역을 잠그는 방법 이해한다.
• 공유하는 객체 수와 범위를 최대한 줄인다.
• 스레드 코드는 많은 플랫폼에서 많은 설정으로 테스트한다.
• 보조 코드 추가하여 테스트한다.

깔끔한 접근 방식을 취한다면 코드가 올바로 돌아갈 가능성이 극적으로 높아진다.

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글쓴이의 생각

C#에서도 보면 멀티 스레드를 이용한 프로그래밍을 지원해 준다.

.Net에서 지원해 주는 코드여서 유용하게 사용할 수 있다.

그런데 글쓴이가 쓰는 현재 유니티 버전은 멀티 스레드를 지원해 주지 않는다.

그래서 어떻게 쓸 수 있는지 찾아보니까 유니티는 코루틴이라는 것을 지원해 주는데

코루틴을 사용하면 멀티 스레드를 흉내 낼 수 있다고 한다.

그동안 코루틴 사용하면서 스레드라는 생각을 안 해봤는데 프로그래밍의 세계는 내가 아는 것보다 훨씬 심오한 것 같다.

코루틴 사용하면서 여러 충돌 문제가 많이 발생해 고생한 적이 많았는데 잘 활용해 봐야겠다.