이 포스트는 클린코드 13장 - 동시성 을 정리한 내용입니다.

Overview

객체는 처리의 추상화다. 스레드는 일정의 추상화다.

  • 이 장에서는 여러 스레드를 동시에 돌리는 이유를 논한다.
  • 여러 스레드를 동시에 돌리는 어려움도 논한다.
  • 어려움을 대처하고 꺠끗한 코드를 작성하는 몇가지 방법도 제안한다.
  • 동시성을 테스트하는 방법과 문제점을 논한다.

동시성이 필요한 이유

동시성은 Coupling을 없애는 전략이다. 즉, 무엇^what 과 언제^when 을 분리하는 전략이다.

  • 단일 스레드 프로그램은 무엇과 언제가 서로 밀접하다.
  1. 이 2개를 분리하면 애플리케이션 구조와 효율이 극적으로 좋아진다.
    • 구조적인 관점에서 거대한 루프 하나가 아닌 작은 협력 프로그램 여럿으로 구성되는 것으로 보이고, 그로인해 문제를 분리하여 시스템을 이해하기 쉬워진다.
  2. 응답 시간과 작업 처리량 개선에도 도움이 된다.
    • crawler같이 요청하고 오래 기다려야 하는 작업을 하는 경우, 여러 작업을 병렬적으로 해도 좋은 경우

동시성에 대한 오해와 타당한 생각

다음은 동시성과 관련한 일반적인 미신과 오해이다.

  1. 동시성은 항상 성능을 높여준다.
    • 동시성은 때로 성능을 높여준다.
    • 대기 시간이 아주 길어 여러 스레드가 프로세서를 공유할 수 있거나, 여러 프로세서가 동시에 처리할 독립적인 계산이 충분히 많은 경우에만 성능이 높아진다.
  2. 동시성을 구현해도 설계는 변하지 않는다.
    • 일반적으로 무엇과 언제를 분리하면 시스템 구조가 크게 달라진다.
  3. 웹 또는 EJB 컨테이너를 사용하면 동시성을 이해할 필요가 없다.
    • 어떻게 동작하는지, 동시 수정, 데드락 등과 같은 문제를 피할 수 있는 방법을 알아야 한다.

아래는 동시성과 관련된 타당한 생각이다.

  1. 동시성은 다소 부하를 유발한다.
    • 코드두 더 짜야 한다.
  2. 동시성은 복잡하다.
    • 맞는 말이다.
  3. 일반적으로 동시성 버그는 재현하기 어렵다.
    • 그래서 일회성 문제로 여겨 무시하곤 한다
  4. 동시성을 구현하려면 근본적인 설계 전략을 재고해야 한다.

동시성 구현의 난관

예를 들어………………..

public class X {
	private int lastIdUsed = 42;
	public int getNextId() {
		return ++lastIdUsed;
	}
}

두 개 스레드가 위 클래스의 인스턴스를 공유한다고 가정하고 getNextId() 메서드를 동시에 호출하면 아래 3가지 경우중 하나가 된다.

  1. 43, 44를 받는 경우
  2. 44, 43을 받는 경우
  3. 43, 43을 받는 경우

즉 위험하다..

동시성 방어 원칙

동시성 코드로 인해 발생하는 문제를 방어하는 원칙과 기술은 아래와 같다.

  1. 동시성과 관련된 코드는 다른 코드와 분리해야 한다.
    • 예를 들어 Executor나 Scheduler와 같은 곳으로.. p408 이후 예제 참조.
  2. 공유 자료를 캡슐화하고 최대한 줄여라.
    • 공유 객체를 사용하는 코드 내 임계영역을 synchronized 키워드로 보호하라.
    • 또한 임계영역의 수를 줄이는 것이 좋다. 그렇지 않으면 실수로 임계영역을 보호하는 것을 잊을 수 있고 이를 방지하기 위해 확인하는 시간이 많이 들 것이다. 버그 찾기도 더 힘들어 진다.
  3. 자료 사본을 사용하라
    • 객체를 복사해 읽기 전용으로 사용할 수 있다면 그렇게 해라.
  4. 독자적인 스레드로, 가능하면 다른 프로세서에서, 돌려도 괜찮도록 자료를 독립적인 단위로 분할하라.
    • 모든 정보를 비공유 출처에서 가져와 로컬 변수에 저장한다.
    • 이러면 동시성이 문제를 발생시킬 일이 없다. 근데 이정도까지 될 리가 없지… 낄껄꿀껄

자바를 쓸 경우 라이브러리를 활용하라

  1. 자바 5부터는 스레드 환경에 안전한 컬렉션을 제공
    • java.util.concurrent 패키지는 다중 스레드 환경에서 안전한 클래스가 제공한다.
    • ConcurrentHashMap : 거의 모든 상황에서 HashMap보다 좋음(스레드 환경에서도 안전)
    • ReentrantLock : 한 메서드에서 잠그고 다른 메서드에서 푸는 락
    • Semaphore : 세마포
    • CountDownLatch : 지정한 수만큼 이벤트가 발생하고 나서야 대기 중인 스레드를 모두 해제 시키는 락, 모든 스레드에게 공평한 출발선을 제공한다.
  2. 무관한 작업일 경우(공유자원 ㄴㄴ) executor 프레임워크 사용
  3. 가능하다면 스레드가 차단^blocking 되지 않는 방법을 사용(몰라서 블럭되겠니..ㅠ)
  4. 일부 클래스 라이브러리는 스레드에 안전하지 않음

다중 스레드 애플리케이션의 실행 모델을 이해하라

일상에서 접하는 대다수 다중 스레드 문제는 아래 3가지 중 하나이다. 직접 구현해서 문제를 경험하고 해법을 직접 구현해보면 나중에 도움이 될듯하다.

생성자-소비자^Producer-Consumer

아래서 대기열은 Producer/Consumer 스레드가 함께 사용하는 한정된 자원이다.

  1. 하나 이상의 Producer 스레드가 정보를 버퍼나 대기열에 넣는다.
    • Producer 스레드는 대기열에 빈 공간이 있을 때만 정보를 채운다.(아니면 기다림)
    • 정보를 채우고 Consumer 스레드에게 시그널을 보낸다.
  2. 하나 이상의 Consumer 스레드가 대기열에서 정보를 가져와 사용한다.
    • 있을 때만 가져감. 채워질 때까지 기다림
    • 대기열에 빈 공간이 있을 경우 Producer 스레드에 시그널을 보낸다.

잘못하면 Producer/Consumer 스레드가 둘 다 진행 가능한 상태임에도 서로에게서 시그널을 기다릴 위험이 있다.

읽기-쓰기^Readers-Whiters

읽기 스레드를 위한 주된 정보원으로 공유 자원을 사용하지만, 쓰기 쓰레드가 이 공유 자원을 이따금 갱신하는 상황을 의미한다.

  1. 읽는 스레드의 작업 동안 쓰는 스레드의 작업이 기다리면 정보 업데이트가 되지 않는 문제가 있다
  2. 쓰는 스레드의 작업 동안 읽는 스레드의 작업이 기다리면 이것도 기아 현상의 위험이 있음.

보통은 쓰기 스레드가 읽기 스레드가 끝날 때까지 기다린다.

식사하는 철학자들

식사하는 철학자들 문제 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전 을 참조하는게 더 나을듯 낄렵낄렵

공유 객체 하나에는 메서드 하나만 사용하라.

자바에서는 synchronized를 개별 메서드를 보호할 수 있도록 지원한다.
공유 객체 하나를 여러 synchronized 메서드로 보호하고 있다면 불필요한 의존성이 생길 수 있으므로 꼭 필요한지 확인하고 가급적이면 하나로 줄이도록 한다.

동기화하는 부분을 최대한 작게 만들어라

synchronized를 사용하면 락을 설정한다. 같은 락으로 감싼 모든 코드 영역은 한 번에 한 스레드만 실행이 가능하다.

  • 락은 스레드를 지연시키고 부하를 가중시킨다.
  • synchronized를 남발하는 코드는 바람직하지 않다.

하지만 임계영역은 반드시 보호해야 한다. 때문에 이 임계영역 수를 최대한 줄여야 한다.

  • 그렇다고 해서 하나의 거대한 임계 영역으로 통합해서는 안된다. 통합된 임계 영역에는 이 영역을 사용하려고 하는 스레드도 늘어나고 그건 곧 경쟁으로 이어지고 성능이 떨어지기 때문이다.

종료 코드를 개발 초기부터 고민하고 동작하게 초기부터 구현하라

깔끔하게 종료하는 코드는 올바로 구현하기 어렵다.

  • 데드락이 가장 흔히 발생하는 문제이다.(스레드가 오지 않을 시그널을 기다린다)

예를 들어 부모 스레드가 자식 스레드를 여러 개 만든 후 모두가 끝나기를 기다렸다 자원을 해제하고 종료하는 시스템이 있었다고 가정하자. 만약 자식 스레드 중 하나가 데드락에 걸린다면 부모 스레드는 영원히 기다릴 것이다.

스레드 코드 테스트하기

랜덤한 상황을 넣고 주기적으로 테스트를 진행해라. 스레드 코드는 다시 테스트 할 때는 성공하는 경우가 있을 수 있다. 그렇다고 해서 넘어가지 말고 원인을 꼼꼼히 파악하길 바란다.

이 책에서는 jiggling 기법을 통해 스레드 코드의 오류를 드러내고자 한다.

  • jiggling이란 코드 중간 중간에 무작이로 nop, sleep, yield를 끼워주는 기법이다.

결론

다중 스레드 코드는 올바로 구현하기 어렵고, 공유 자료가 늘어나면서 난이도는 더욱 높아진다.
다중 스레드 코드를 작성한다면 각별히 깨끗하게 코드를 짜야 한다. 주의하지 않으면 알 수 없는 오류에 직면할 수 있다.

무엇보다 SRP를 준수해야 한다. 스레드를 아는 코드와 스레드를 모르는 코드를 분리한다.

  • 테스트 할 때 스레드 코드를 테스트 할 때에는 스레드만 테스트한다.
  • 즉 스레드 코드는 최대한 집약되고 작아야 한다.

동시성 오류를 일으키는 잠정적인 원인을 철저히 이해해야 한다.

  • 여러 스레드가 공유 자료를 조작하거나 자원 풀을 공유할 때 동시성 오류가 발생한다.
  • 루프 반복을 끝내거나 프로그램을 깔끔하게 종료하는 등 경계 조건의 경우 더 까다로우므로 특히 주의해야 한다.

사용하는 라이브러리와 기본 알고리즘을 이해한다.

  • 특정 라이브러리 기능이 기본 알고리즘과 유사한 어떤 문제를 어떻게 해결하는지 파악한다.

보호할 코드 영역을 찾아내는 방법과 특정 코드 영역을 잠그는 방법을 이해한다. 또 공유하는 정보와 공유하지 않는 정보를 정확하게 이해한다.

  • 잠글 필요가 없는 코드는 잠그지 않는다.
  • 잠긴 영역에서 다른 잠긴 영역을 호출하지 않는다.
  • 공유하는 객체 수와 버위를 최대한 줄인다.
  • 클라이언트에게 공유 상태를 관리하는 책임을 떠넘기지 않는다.

Reference

Clean Code 클린코드 : 애자일 소프트웨어 장인 정신 창발 – 위키백과