[클린코드] 동시성

평소 부주의하게 다중 스레드를 사용했던 경험이 있어서 마침 클린코드에 언급된 동시성 내용을 정리해보았다.

 

동시성이 필요한 이유?

동시성은 결합을 없애는 전략이다. 결합을 풀어내면 애플리케이션의 구조와 효율이 극적으로 나아진다.

하지만 구조적 개선만을 위해 동시성을 채택하는 것은 아니다.

어떤 시스템은 응답 시간과 작업 처리량 개선이라는 요구사항으로 인해 직접적인 동시성 구현이 불가피하다.

 

ex1.

단일 스레드 수집기는 웹 소켓에서 입출력을 기다리는 시간이 아주 많다.

한 번에 한 사이트를 방문하는 대신 다중 스레드 알고리즘을 이용하면 수집기 성능을 높일 수 있다.

 

ex2.

한 번에 한 사용자를 처리하는 시스템이 있다고 하자.

한 사용자를 처리하는 시간은 1초다.

사용자가 소수라면 시스템이 아주 빨리 반응한다.

하지만 사용자 수가 늘어날수록 시스템이 응답하는 속도도 늦어진다.

대신 많은 사용자를 동시에 처리하면 시스템 응답 시간을 높일 수 있다.

 

이처럼 반드시 동시성이 필요한 상황이 존재한다.

그러나 동시성은 어렵다.

 

동시성의 오해와 미신

📌 오해1. 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.

 

📌 오해2. 동시성을 구현해도 설계는 변하지 않는다.

단일 스레드 시스템과 다중 스레드 시스템은 설계가 판이하게 다르다.

일반적으로 무엇과 언제를 분리하면 시스템 구조가 크게 달라진다.

 

📌 오해3. 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.

 

동시성과 관련된 타당한 생각

📌 동시성은 다소 부하를 유발한다.

📌 동시성은 복잡하다. 간단한 문제라도 동시성은 복잡하다.

📌 일반적으로 동시성 버그는 재현하기 어렵다. 그래서 진짜 결함으로 간주되지 않고 일회성 문제로 여겨 무시하기 쉽다.

📌 동시성을 구현하려면 흔히 근본적인 설계 전략을 재고해야 한다.

 

예를 들어 두 스레드가 하나의 인스턴스를 공유하면 동시성에 문제가 발생한다.

동시성 방어 원칙

단일 책임 원칙(Single Responsibility Principle, SRP)

 

권장사항: 동시성 코드는 다른 코드와 분리하라.

 

따름 정리 corollary: 자료 범위를 제한하라.

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

이러한 문제를 해결하는 방안으로 공유 객체를 사용하는 코드 내 임계영역(critical secion)을 synchronized 키워드로 보호하라고 권장한다. 이런 임계 영역을 줄이는 기술이 중요하다.

 

권장사항: 자료를 캡슐화하라. 공유자료를 최대한 줄여라

 

따름 정리 corollary: 자료 사본을 사용하라

 

따름 정리 corollary: 스레드는 가능한 독립적으로 구현하라

 

라이브러리를 이해하라

- 스레드 환경에 안전한 컬렉션(ex. ConcurrentHashMap)을 사용한다. 자바 5부터 제공한다.

- 서로 무관한 작업을 수행할 때는 executor 프레임워크를 사용한다.

- 가능하다면 스레드가 차단 (Blocking)되지 않는 방법을 사용한다.

- 일부 클래스 라이브러리는 스레드에 안전하지 못하다.

 

실행 모델을 이해하라

❤️ 동시성에 대한 기본적인 용어

한정된 자원(Bound Resource)	다중 스레드 환경에서 사용하는 자원으로, 크기나 숫자가 제한적이다. 데이터베이스 연결, 길이가 일정한 읽기/쓰기 버퍼 등이 있다.
상호 배제(Mutual Exclusion)	한 번에 한 스레드만 공유 자료나 공유 자원을 사용할 수 있는 경우
기아 (Starvation)	한 스레드나 여러 스레드가 굉장히 오랫동안 혹은 영원히 자원을 기다린다. 예를 들어 항상 짧은 스레드에게 우선순위를 준다면, 짧은 스레드가 지속적으로 이어질 경우 긴 스레드가 기아 상태에 빠진다.
데드락 (Deadlock)	여러 스레드가 서로가 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)로 인해 굉장히 오랫동안 혹은 영원히 진행하지 못한다.

 

- 동기화하는 부분을 작게 만들어라

- 올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다

- 스레드 코드 테스트하기

구체적인 테스트 지침

✔︎ 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 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.