[Study][CleanCode - 3] 13. 동시성

📋 목차.

13. 동시성
    .동시성이 필요한 이유?
    .난관
    .동시성 방어 원칙
    .라이브러리를 이해하라.
    .실행 모델을 이해하라.
    .동기화하는 부분을 작게 만들어라
    .올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다.
    .스레드 코드 테스트하기
    .결론

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✔️ 내용.

 

13. 동시성

 

객체는 처리의 추상화다. 스레드는 일정의 추상화다.
- 제임스 O. 코플리엔

 

동시성과 깔끔한 코드는 양립하기 아주 어렵다.
 이 장에서는 여러 스레드를 동시에 돌리는 이유를 논한다. 여러 스레드를 동시에 돌리는 어려움도 논하며 이런 어려움에서 어떻게 깨끗한 코드를 작성하는지 방법도 제안한다.
 마지막으로, 동시성을 테스트하는 방법과 문제점을 논한다.

 

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.동시성이 필요한 이유?

 

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

단일 스레드 프로그램은 무엇과 언제가 서로 밀접하다. 호출 스택을 살펴보면 프로그램의 상태를 곧바로 알 수 있다.

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

 

 예로. 웹 애플리케이션 표준으로 사용하는 '서블릿(Servlet)' 모델을 살펴보자. 

서블릿은 웹 혹은 EJB 컨테이너라는 우산 아래서 돌아가는데, 이들 컨테이너는 동시성을 부분적으로 관리한다. 웹 요청이 들어올 때마다 웹 서버는 비동기식으로 서블릿을 실행한다. 서블릿 프로그래머는 들어오는 모든 웹 요청을 관리할 필요가 없다.  원칙 적으로 각 서블릿 스레드는 다른 서블릿 스레드와 무관하게 자신만의 세상에서 돌아간다.

 

- 미신과 오해

 

동시성과 관련한 일반적인 미신과 오해

 

 - 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. 어느 쪽도 일상적으로 발생하는 상황은 아니다.

 - 동시성을 구현해도 설계는 변하지 않는다.

단일 스레드 시스템과 다중 스레드 시스템은 설계가 판이하게 다르다. 일반적으로 무엇과 언제를 분리하면 시스템 구조가 크게 달라진다.

 - 웹 또는 EJB 컨테이너를 사용하면 동시성을 이해할 필요가 없다.

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

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동시성과 관련한 타당한 생각 

 

 - 동시성은 다소 부하를 유발한다.

성능 측면에서 부하가 걸리며, 코드도 더 짜야한다.

- 동시성은 복잡하다.

간단한 문제라도 동시성은 복잡하다.

- 일반적으로 동시성 버그는 재현하기 어렵다.

따라서 진짜 결함으로 간주되지 않고 일회성 문제로 여겨 무시하기 쉽다.

- 동시성을 구현하려면 흔히 근본적인 설계 전략을 재고해야 한다.

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.난관

 

 동시성을 구현하기 어려운 이유.

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

인스턴스 X 생성 후, lastIdUsed 필드를 42로 설정한 다음, 두 스레드가 해당 인스턴스를 공유한다.

이제 두 스레드가 getNextId();를 호출한다고 가정하면 결과는 아래 셋 중 하나이다.

 

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

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

  3. 한 스레드는 43을 받는다. 다른 스레드는 43를 받는다. lastIdUsed는 43이 된다.

 

두 스레드가 같은 변수를 동시에 참조하면 세 번째와 같은 결과가 발생한다. 이러한 잘못된 경로를 가지게 되는 경우를 알기 위해서는 JIT 컴파일러가 바이트 코드를 처리하는 방식과 자바 메모리 모델이 원자로 간주하는 최소 단위를 알아야 한다.

 

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.동시성 방어 원칙

 

 

 - 단일 책임 원칙(SRP)

 동시 성은 복잡성 하나만으로도 따로 분리할 이유가 충분하다. 즉, 동시성 관련 코드는 다른 코드와 분리해야 한다.

 

동시성 구현 시 고려사항

 1. 동시성 코드는 독자적인 개발, 변경, 조율 주기가 있다.

 2. 동시성 코드에는 독자적인 난관이 있다. 

 3. 잘못 구현한 동시성 코드는 별의별 방식으로 실패한다.

 

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 - 따름 정리 : 자료 범위를 제한하라.

 

자료를 캡슐화하라, 공유 자료를 최대한 줄여라

 

 공유 객체를 사용하는 코드 내 임계 영역을 synchronized 키워드로 보호하는 것을 권장한다.

이런 임계 영역 수를 줄이는 기술이 중요하다. 공유 자료를 수정하는 위치가 많을수록 다음 가능성이 커진다.

 1. 보호할 임계 영역을 빼먹는다.

 2. 모든 임계영역을 올바로 보호했는지(DRY 위반) 확인하느라 똑같은 노력과 수고를 반복한다.

 3. 안 그래도 찾아내기 어려운 버그가 더욱 찾기 어려워진다.

 

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 - 따름 정리 : 자료 사본을 사용하라.

 

 공유 자료를 줄이기 위해서는 처음부터 사용하지 않는 방법이 제일 좋다. 어떤 경우 객체를 복사해 읽기 전용으로 사용하는 방법이 가능하다. 어떤 경우에는 각 스레드가 객체를 복사해 사용한 후 한 스레드가 해당 사본에서 결과를 가져오는 방법도 가능하다.

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 - 따름 정리 : 스레드는 가능한 독립적으로 구현하라

 

독자적인 스레드로, 가능하면 다른 프로세서에서, 돌려도 괜찮도록 자료를 독립적인 단위로 분할하라.

 

 다른 스레드와 자료를 공유하지 않는 스레드를 구현한다. 각 스레드는 클라이언트 요청 하나를 처리한다. 모든 정보는 비공유 출처에서 가져오며 로컬 변수에 저장한다. 

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.라이브러리를 이해하라.

 

각각 Java Version에 맞는 라이브러리를 이해한다.

ex. java.util.concurrent, java.util.concurrent.atomic, java.util.concurrent.locks

 

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.실행 모델을 이해하라.

 

 기본 용어

한정된 자원 (Bound Resource)	다중 스레드 환경에서 사용하는 자원으로, 크기나 숫자가 제한적. DB 연결, 길이가 일정한 읽기/쓰기 버퍼 등
상호 배제 (Mutual Exclustion)	한 번에 한 스레드만 공유 자료나 공유 자원을 사용할 수 있는 경우
기아 (Starvation)	한 스레드나 여러 스레드가 굉장히 오랫동안 혹은 영원한 자원을 기다린다. 예로. 항상 짧은 스레드에게 우선순위를 줄 경우, 짧은 스레드가 지속적으로 이어지면, 긴 스레드가 기아 상태에 빠진다.
데드락 (Deadlock)	여러 스레드가 서로 끝나기를 기다린다. 모든 스레드가 각기 필요한 자원을 다른 스레드가 점유하는 바람에 어느 쪽도 더 이상 진행하지 못한다.
라이브락 (Livelock)	락을 거는 단계에서 각 스레드가 서로를 방해한다. 스레드는 계속해서 진행하려 하지만, 공명(resonance)으로 인해, 굉장히 오랫동안 혹은 영원히 진행하지 못한다.

 

다중 스레드 프로그래밍에서 사용하는 실행 모델

 

 - 생산자 - 소비자 (Producer - Consumer)

 

하나 이상 생산자 스레드가 정보를 생성해 버퍼나 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 채운다. 즉, 빈 공간이 생길 때까지 기다린다.

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

대기열을 올바로 사용하고자 생산자 스레드와 소비자 스레드는 서로에게 시그널을 보낸다. 

생산자 스레드는 대기열에 정보를 채운 다음 소비자 스레드에 "대기열에 정보가 있다"는 시그널을 보낸다.

소비자 스레드는 대기열에서 정보를 읽어 들인 후 "대기열에 빈 공간이 있다"는 시그널을 보낸다.

따라서 잘못하면 생산자 스레드와 소비자 스레드가 둘 다 진행 가능함에도 불구하고 동시에 서로에게서 시그널을 기다릴 가능성이 존재한다.

 

 - 읽기-쓰기 (Readers-Writers)

 

 읽기 스레드를 위한 주된 정보원으로 공유자원을 사용하지만, 쓰기 스레드가 이 공유 자원을 이따금 갱신한 다하자. 이런 경우 처리율(throughput)이 핵심이다. 처리율을 강조하면 기아 현상이 생기거나 오래된 정보가 쌓인다. 갱신을 허용하면  처리율에 영향을 미친다. 버퍼를 갱신하는 동안 읽지 않고, 버퍼를 읽는 동안 갱신하지 않기 위해서는 복잡한 균형 잡기가 필요하다. 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 방지하는 해법이 필요하다.

 

  동기화하는 메서드 사이에 존재하는 의존성을 이해하라

 

공유 객체 하나에는 메서드 하나만 사용하라

 

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

자바 언어는 개별 메서드를 보호하는 synchronized라는 개념을 지원한다. 하지만 공유 클래스 하나에 동기화된 메서드가 여럿이라면 구현이 올바른지 다시 한번 확인하기 바란다.

 

공유 객체 하나에 여러 메서드가 필요한 경우 고려할 사항

 

 1. 클라이언트에서 잠금

  클라이언트에서 첫 번 째 메서드를 호출하기 전에 서버를 잠근다. 마지막 메서드를 호출할 때까지 잠금을 유지한다.

 2. 서버에서 잠금 

  서버에다 '서버를 잠그고 모든 메서드를 호출한 후 잠금을 해제'하는 메서드를 구현한다. 클라이언트는 이 메서드를 호출한다.

 3. 연결(Adapted) 서버

  잠금을 수행하는 중간 단계를 생성한다. '서버에서 잠금' 방식과 유사하지만 원래 서버는 변경하지 않는다.

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.동기화하는 부분을 작게 만들어라

 

동기화하는 부분을 최대한 작게 만들어라.

 

 자바에서 synchronized 키워드를 사용하면 락을 설정한다. 같은 락으로 감싼 모든 코드 영역은 한 번에 한 스레드만 실행이 가능하다. 락은 스레드를 지연시키고 부하를 가중시킨다. 그러므로 여기저기서 synchronized 문을 남발하는 코드는 바람직하지 않다. 반면 임계 영역은 반드시 보호해야 한다. 따라서 코드를 짤 때는 임계 영역 수를 최대한 줄여야 한다.

 임계영역 수를 줄인다고 거대한 임계 영역 하나로 구현할 경우, 필요 이상으로 커진 임계 영역은 스레드 간 경쟁이 늘어나고 프로그램 성능이 떨어진다.

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.올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다.

 

종료 코드를 개발 초기부터 고민하고 동작하게 초기부터 구현하라. 생각보다 오래 걸린다. 생각보다 어려우므로 이미 나온 알고리즘을 검토하라.

 

 영구적으로 돌아가는 시스템을 구현하는 방법과 잠시 돌다 깔끔하게 종료하는 시스템을 구현하는 방법은 다르다.

깔끔하게 종료하는 코드는 올바르게 구현하기 어렵다. 가장 흔히 발생하는 문제가 데드락이다. 즉, 스레드가 절대 오지 않을 시그널을 기다린다. 

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.스레드 코드 테스트하기

 

 문제를 노출하는 테스트 케이스를 작성하라. 프로그램 설정과 시스템 설정과 부하를 바꿔가며 자주 돌려라. 테스트가 실패하면 원인을 추적하라. 다시 돌렸더니 통과하더라는 이유로 그냥 넘어가면 절대로 안된다.

 

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 - 말이 안 되는 실패는 잠정적인 스레드 문제로 취급하라

 

시스템 실패를 '일회성'이라 치부하지 마라.

 

다중 스레드 코드는 때때로 '말이 안 되는' 오류를 일으킨다. 그래서 많은 개발자가 단순한 '일회성' 문제로 치부하고 무시한다. '일회성' 문제를 계속 무시한다면 잘못된 코드 위에 코드가 계속 쌓인다.

 

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 - 다중 스레드를 고려하지 않은 순차 코드부터 제대로 돌게 만들자.

 

스레드 환경 밖에서 생기는 버그와 스레드 환경에서 생기는 버그를 동시에 디버깅하지 마라. 먼저 스레드 환경 밖에서 코드를 올바로 돌려라.

스레드 환경 밖에서 코드가 제대로 도는지 반드시 확인한다. 일반적인 방법으로, 스레드가 호출하는 POJO를 만든다. POJO는 스레드를 모른다. 따라서 스레드 환경 밖에서 테스트가 가능하다. POJO에 넣는 코드는 많을수록 좋다.

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 - 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 다양한 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 있도록 스레드 코드를 구현하라.

 

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

 

 1. 한 스레드로 실행하거나, 여러 스레드로 실행하거나, 실행 중 스레드 수를 바꿔본다.

 2. 스레드 코드를 실제 환경이나 테스트 환경에서 돌려본다.

 3. 테스트 코드를 빨리, 천천히, 다양한 속도로 돌려본다.

 4. 반복 테스트가 가능하도록 테스트 케이스를 작성한다.

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 - 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 상황에 맞춰 조정할 수 있게 작성하라.

 

적절한 스레드 개수를 파악하려면 상당한 시행착오가 필요하다.

처음부터 다양한 설정으로 프로그램의 성능 측정방법을 강구한다.

스레드 개수를 조율하기 쉽게 코드를 구현한다.

프로그램이 돌아가는 도중에 스레드 개수를 변경하는 방법도 고려한다.

프로그램 처리율과 효율에 따라 스스로 스레드 개수를 조율하는 코드도 고민한다.

 

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 - 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌려보라.

 

 시스템이 스레드를 스와핑(swapping)할 때도 문제가 발생한다. 스와핑을 일으키려면 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌린다. 스와핑이 잦을수록 임계 영역을 빼먹은 코드나 데드락을 일으키는 코드를 찾기 쉬워진다.

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 - 다른 플랫폼에서 돌려보라.

 

처음부터 그리고 자주 모든 목표 플랫폼에서 코드를 돌려라.

 

 다중 스레드 코드는 플랫폼에 따라 다르게 돌아간다. 따라서 코드가 돌아갈 가능성이 있는 플랫폼에 전부에서 테스트를 수행해야 마땅하다.

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 - 코드에 보조 코드(instrument)를 넣어 돌려라. 강제로 실패를 일으키게 해 보라.

 

흔들기 기법을 사용해 오류를 찾아내라.

 

 스레드 코드는 오류를 찾기 쉽지 않다. 재현 역시 쉽지 않다.  코드가 실행되는 수천 가지 경로 중 아주 소수만 실패하기 때문이다.

 이렇듯 드물게 발생하는 오류를 좀 더 자주 일으킬 방안으로보조 코드를 추가해 코드가 실행되는 순서를 바꿔준다.

예로 Object.wait(), Object.sleep 등과 같은 메서드를 추가해 코드를 다양한 순서로 실행한다.

각 메서드는 스레드가 실행되는 순서에 영향을 미친다. 따라서 버그가 드러날 가능성도 높아진다. 잘못된 코드라면 가능한 초반에 그리고 가능한 자주 실패하는 편이 좋다.

 

 코드에 보조 코드를 추가하는 방법 두 가지

 

 - 직접 구현하기

 코드 중간중간 wait(), yield() 삽입

 - 자동화

 AOF(Aspect-Oriented Framework), CGLIB, ASM 등 도구 사용하여 코드 중간중간 sleep, yield 와같은 효과를 일으키는 메서드를 삽입한다. 예로 ThreadJigglePoint.jiggle() 삽입 후 호출할 경우 sleep, yield, nop(아무 동작)를 무작위로 호출한다.

 

 

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.결론

 

 다중 스레드 코드는 올바로 구현하기 어렵다. 

앞서 얘기한 내용 모두를 생각하며 구현해야 한다.

 

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📝 느낀점.

 - 스레드 구현에 대해 깊게 생각한 바가 없었는데 구현 시 고려사항과 팁 같은 것들이 주어져서 좋은 내용이었다.