Published 2022. 8. 13. 20:25

클린코드 - 13.동시성

개발 서적/클린코드

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

동시성과 깔끔한 코드는 양립하기 아주 어렵다

1. 동시성이 필요한 이유

정보를 대량으로 분석하는 시스템의 경우 정보를 나눠 병렬로 처리할 수 있다면 효율이 증가한다

- 동시성이 항상 성능을 높여주는 것은 아니다

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

- 단일 스레드 시스템과 다중 스레드 시스템은 설계가 판이하게 다르다

일반적으로 무엇과 언제를 분리하면 시스템 구조가 크게 달라진다

- 컨테이너 동작방식을 알아야 동시성을 사용할 수 있다

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

- 동시성은 다소 부하를 유발한다

성능 측면에서 부하가 걸리며, 코드도 더 짜야 한다

- 동시성은 복작하다

간단한 문제라도 동시성은 복잡하다

- 일반적으로 동시성 버그는 재현하기 어렵다

일회성 문제로 여겨 무시하기 쉽다

- 동시성을 구현하려면 흔히 근복적인 설계 전략을 재고해야 한다

2. 난관

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

다음과 같은 코드가 있을 때

lastIdUsed 필드를 42로 설정하고 두 스레드가 해당 인스턴스를 공유한다고 가정했을 때

두 스레드가 동시에 getNextId() 메서드를 호출한다면?

한 스레드는 43을 받고 다른 스레드는 44를 받는다. lastIdUsed 값은 44가 된다.

한 스레드는 44를 받고 다른 스레드는 43을 받는다. lastIdUsed 값은 44가 된다.

두 스레드 모두 43이라는 값을 리턴받게 된다. lastIdUsed 값은 43이 된다.

위 세가지 예시 모두 가능하다

동시성은 공유 자료를 사용할 경우 예상치 못한 결과를 내놓는다

3. 동시성 방어 원칙

- 동시성 코드는 다른 코드와 분리하라

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

- 자료를 캡슐화 하고 공유 자료를 최대한 줄여야 한다

앞서 정리했듯이 동시성은 공유 자료를 사용할 경우 예상치 못한 결과를 내놓는다
이런 문제를 해결하는 방안으로 공유 객체를 사용하는 코드 내 임계영역을 synchronized 키워드로 보호하라고 권장한다

이런 임계영역의 수를 줄이는 기술이 중요!

- 자료 사본을 사용하라

공유 자료를 줄이려면 처음부터 공유하지 않는 방법이 제일 좋다

어떤 경우에는 객체를 복사해 읽기 전용으로 사용하는 방법이 가능하다

어떤 경우에는 각 스레드가 객체를 복사해 사용한 후 한 스레드가 해당 사본에서 결과를 가져오는 방법도 가능하다

- 스레드는 가능한 독립적으로 구현하라

다른 스레드와 자료를 공유하지 않는다

각 스레드는 클라이언트 요청 하나를 처리하고

모든 정보는 비공유 출처에서 가져오며 로컬 변수에 저장한다

하지만 대다수 애플리케이션은 결국 데이터베이스 연결과 같은 자원을 공유하는 상황에 처한다

독자적인 스레드로 가능하면 다른 프로세서에서 돌려도 괜찮도록 자료를 독립적인 단위로 분할하라

4. 클래스

자바에서 제공하는 동시성 설계 지원 클래스 (자바5 기준)

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

5. 용어

다중 스레드 관련 용어 정리

한정된 자원(Bound Resource)	다중 스레드 환경에서 사용하는 자원. 크기나 숫자가 제한적. 데이터베이스 연결, 길이가 일정한 읽기/쓰기 버퍼 등
상호 배제(Mutual Exclusion)	한 번에 한 스레드만 공유 자료나 공유 자원을 사용할 수있는 경우
기아(Starvation)	한 스레나 여러 스레드가 굉장히 오랫동안 혹은 영원히 자원을 기다리는 현상
데드락(Deadlock)	여러 스레드가 서로가 끝나기를 기다리는 상황
라이브락(Livelock)	락을 거는 단계에서 각 스레드가 서로를 방해하는 현상

6. 동기화하는 메서드 사이에 존재하는 의존성을 이해하라

공유 객체 하나에는 메서드 하나만 사용해야한다

동기화하는 메서드 사이에 의존성이 존재하면 동시성 코드에서 찾아내기 어려운 버그가 생긴다

자바에서는 개별 메서드를 보호하는 synchronized 라는 개념을 지원한다

하지만 공유 클래스 하나에 동기화된 메서드가 여럿이라면 구현이 올바른지 다시 한 번 확인해야 한다

만약 공유 객체 하나에 여러 메서드가 필요한 상황이라면 세가지 방법을 고려해야 한다

클라이언트에서 잠금:
클라이언트에서 첫 번째 메서드를 호출하기 전에 서버를 잠근다
마지막 메서드를 호출할 때까지 잠금을 유지한다
서버에서 잠금:
서버에다 '서버를 잠그고 모든 메서드를 호출한 후 잠금을 해제하는' 메서드를 구현한다
클라이언트는 이 메서드를 호출한다
연결(Adapted) 서버:
잠금을 수행하는 중간 단계를 생성한다
'서버에서 잠금' 방식과 유사하지만 원래 서버는 변경하지 않는다

7. 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 가중시키기 때문에 synchronized 문을 남발하는 코드는 바람직하지 않다

반면 임계영역은 반드시 보호해야 하고 임계영역 수를 최대한 줄여야 한다

그렇다고 임계영역 개수를 줄이기위해 거대한 임계영역 하나로 구현하게되면

스레드 간에 경쟁이 늘어나고 프로그램 성능이 떨어진다

8. 올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다

깔끔하게 종료하는 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

모두가 끝나기를 기다렸다 자원을 해제하고 종료하는 시스템이 있다고 가정하자

만약 자식 스레드 중 하나가 데드락에 걸렸다면

부모 스레드는 영원히 기다리고, 시스템은 영원히 종료되지 않는다

종료 코드를 개발 초기부터 고민하고 동작하게 초기부터 구현해야 한다

생각보다 어려운 일이므로 이미 나온 알고리즘을 통해 검토하자

생산자-소비자 (Producer-Consumer)
일기-쓰기 (Readers-Writers)
식사하는 철학자들 (Dining Philosophers)

9. 스레드 코드 테스트하기

문제를 노출하는 테스트 케이스를 작성하고

프로그램 설정과 시스템 부하를 바꿔가며 자주 돌린다

테스트가 실패하면 원인을 추적해야 한다

다시 돌렸더니 통과한다는 등의 이유로 그냥 넘어가면 절대 안된다!

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 돌려라
다른 플랫폼에서 돌려라
코드에 보조 코드(Instrument)를 넣어 돌려라. 강제로 실패를 일으키게 하라

- 말이 안 되는 실패는 잠정적인 스레드 문제로 취급하라

다중 스레드 코드는 때때로 말이 안 되는 오류를 일으킨다
일회성 문제라고 무시한다면 잘못된 코드 위에 코드가 계속 쌓일 것 이다

- 다중 스레드를 고려하지 않은 순차 코드부터 제대로 돌게 만들자

당연한 소리지만 스레드 환경 밖에서 코드가 제대로 도는지 반드시 확인해야 한다

스레드 환경 밖에서 생기는 버그와 스레드 환경에서 생기는 버그를 동시에 디버깅하지 마라

먼저 스레드 환경 밖에서 코드를 올바로 돌려야 한다

- 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 구현해야 한다

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

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

적절한 스레드 개수를 파악하려면 상당한 시행착오가 필요하다

처음부터 다양한 설정으로 프로그램의 성능 측정 방법을 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

- 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌려라

시스템이 스레드를 스와핑(swapping) 할 때도 문제가 발생한다

스와핑을 일으키려면 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌리면 된다

스와핑이 잦을 수록 임계영역을 빼먹은 코드나 데드락을 일으키는 코드를 찾기 쉬워진다

- 다른 플랫폼에서 돌려라

처음부터 그리고 자주 모든 목표 플랫폼에서 코드를 돌려라

- 코드에 보조 코드(Instrument)를 넣어 돌려라. 강제로 실패를 일으키게 하라

스레드 코드는 오류를 찾기가 쉽지 않다

스레드 버그가 산발적이고 우발적이고 재현이 어려운 이유는 코드가 실행되는 수천 가지 경로 중에 아주 소수만 실패하기 때문이다

즉, 실패하는 경로가 실행될 확률은 극도로 저조하다

이러한 현상을 보조 코드를 추가하여 실행되는 순서를 변경해주면 조금 더 높은 가능성으로 동일 현상을 재현할 수 있다

10. 코드에 보조 코드를 추가하는 방법 두가지

- 직접 구현하기

코드에 wait(), sleep(), yield(), priority() 함수를 추가한다

특별히 까다로운 코드를 테스트할 때 적합하다

public synchronized String nextUrlOrNull() {
    if(hasNext()) {
    	String url = urlGenerator.next();
        Thread.yield(); // 테스트를 위해 추가
        updateHasNext();
        return url;
    }
    
    return null;
}

하지만 이 방법에는 여러가지 문제가 있다

보조 코드를 삽입할 적정 위치를 직접 찾아야 한다
어떤 함수를 어디서 호출해야 적당한지 알 수 없다
배포 환경에 보조 코드를 그대로 남겨두면 프로그램 성능이 떨어진다
무작위적이다
오류가 드러날지도 모르고 드러나지 않을지도 모른다
사실상 드러나지 않을 확률이 더 높다

- 자동화

보조 코드를 자동으로 추가하려면 AOF(Aspect Oriented Framework), CGLIB, ASM 등 과 같은 도구를 사용한다

public class ThreadJigglePoint {
	public static void jiggle() {
    	...
    }
}

다음과 같은 메서드가 하나인 클래스가 있을 때 다양한 위치에 ThreadJigglePoint.jiggle() 호출하도록 코드를 작성한다

public synchronized String nextUrlOrNull() {
    if(hasNext()) {
    	ThreadJigglePoint.jiggle();
        String url = urlGenerator.next();
        ThreadJigglePoint.jiggle();
        updateHasNext();
        ThreadJigglePoint.jiggle();
        return url;
    }
    
    return null;
}

ThreadJigglePoint.jiggle() 호출은 무작위로 sleep이나 yield를 호출하거나 또는 아무 동작도 하지 않는다

ThreadJigglePoint 클래스를 두 가지로 구현하면 편리하다

jiggle() 메서드를 비워두고 배포 환경에서 사용
무작위로 nop, sleep, yield 등이 동작하도록 테스트 환경에서 수행

마무리 느낀 점

동시성의 경우 공유 자료를 사용할 때 문제가 된다는 내용이나 각종 테스트 방법 등 은 나중에 개발 시 큰 도움이 될 것 같다

변수가 많은 코드인 만큼 테스트를 많이 하는 방법밖에는 없다는 내용을 기억하고

버그가 발생할 경우 일회성으로 넘기는 일은 없도록 해야겠다