🍭 Chapter 13: 동시성

🎃 동시성이 필요한 이유?

동시성은 결합(coupling)을 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 프로그램을 디버깅하는 프로그래머는 정지점(breakpoint)을 정한 후 어느 정지점에 걸렸는지 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.

🎈 미신과 오해

동시성은 어렵다. 각별히 주의하지 않으면 난감한 상황에 처한다. 다음은 동시성과 관련한 일반적인 미신과 오해다.

• 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.

반대로 다음은 동시성과 관련된 타당한 생각 몇 가지다.

• 동시성은 다소 부하를 유발한다. 성능 측면에서 부하가 걸리며, 코드도 더 짜야 한다.
• 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.

🎃 동시성 방어 원칙

🎈 단일 책임 원칙(Single Responsibility Principle, SRP)

SRP는 주어진 메서드/클래스/컴포넌트를 변경할 이유가 하나여야 한다는 원칙이다. 동시성은 복잡성 하나만으로도 따로 분리할 이유가 충분하다. 즉, 동시성 관련 코드는 다른 코드와 분리해야 한다는 뜻이다. 동시성을 구현할 때는 다음 몇 가지를 고려한다.

• 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

🎈 따름 정리: 자료 범위를 제한하라.

공유 객체를 사용하는 코드 내 임계영역을 synchronized 키워드로 보호하라고 권장한다. 이런 임계영역의 수를 줄이는 기술이 중요하다. 공유 자료를 수정하는 위치가 많을수록 다음 가능성도 커진다.

• 보호할 임계영역을 뺴먹는다. 그래서 공유 자료를 수정하는 모든 코드를 망가뜨린다.
• 모든 임계영역을 올바로 보호했는지(DRY 위반) 확인하느라 똑같은 노력과 수고를 반복한다.
• 그렇지 않아도 찾아내기 어려운 버그가 더욱 찾기 어려워진다.

권장사항: 자료를 캡슐화하라. 공유 자료를 최대한 줄여라.

🎈 따름 정리: 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 객치를 복사해 사용한 후 한 스레드가 해당 사본에서 결과를 가져오는 방법도 가능하다.

공유 객체를 피하는 방법이 있다면 코드가 문제를 일으킬 가능성도 아주 낮아진다.

🎈 따름 정리: 스레드는 가능한 독립적으로 구현하라

자신만의 세상에 존재하는 스레드를 구현한다. 즉, 다른 스레드와 자료를 공유하지 않는다. 각 스레드는 클라이언트 요청 하나를 처리한다. 모든 정보는 비공유 출처에서 가져오며 로컬 변수에 저장한다. 그러면 각 스레드는 세상에 자신만 있는 듯이 돌아갈 수 있다. 다른 스레드와 동기화할 필요가 없으므로.

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

🎃 실행 모델을 이해하라

다중 스레드 프로그래밍에서 사용하는 실행 모델을 몇 가지 살펴보자.

🎈 생산자-소비자(Producer-Consumer)

하나 이상 생산자 스레드가 정보를 생성해 버퍼나 대기열에 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. 잘못하면 생산자 스레드와 소비자 스레드가 둘 다 진행 가능함에도 불구하고 동시에 서로에게서 시그널을 기다릴 가능성이 존재한다.

🎈 읽기-쓰기

읽기 스레드를 위한 주된 정보원으로 공유 자원을 사용하지만, 쓰기 스레드가 이 공유 자원을 이따금 갱신한다고 하자. 이런 경우 처리율이 문제의 핵심이다. 처리율을 강조하면 기아 현상이 생기거나 오래된 정보가 쌓인다. 갱신을 허용하면 처리율에 영향을 미친다. 쓰기 스레드가 버퍼를 갱신하는 동안 읽기 스레드가 버퍼를 읽지 않으려면, 마찬가지로 읽기 스레드가 버퍼를 읽는 동안 쓰기 스레드가 버퍼를 갱신하지 않으려면, 복잡한 균형잡기가 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. 간단한 전략은 읽기 스레드가 없을 때까지 갱신을 원하는 쓰기 스레드가 버퍼를 기다리는 방법이다. 하지만 읽기 스레드가 계속 이어진다면 쓰기 스레드는 기아 상태에 빠진다. 반면, 쓰기 스레드에 우선권을 준 상태에서 쓰기 스레드가 계속 이어진다면 처리율이 떨어진다. 양쪽 균형을 잡으면서 동시 갱신 문제를 피하는 해법이 필요하다.

🎈 식사하는 철학자들

많은 기업 애플리케이션에서 겪는 문제다. 기업 애플리케이션은 여러 프로세스가 자원을 얻으려 경쟁한다. 주의해서 설계하지 않으면 데드락, 라이브락, 처리율 저하, 효율성 저하 등을 겪는다.

일상에서 접하는 대다수 다중 스레드 문제는 위 세 범주 중 하나에 속한다. 각 알고리즘을 공부하고 해법을 직접 구현해보라. 그러면 나중에 실전 문제에 부닥쳤을 때 해결이 쉬워지리라.

권장사항: 위에서 설명한 기본 알고리즘과 각 해법을 이해하라.

🎃 동기화하는 메서드 사이에 존재하는 의존성을 이해하라

동기화하는 메서드 사이에 의존성이 존재하면 동시성 코드를 찾아내기 어려운 버그가 생긴다. 자바 언어는 개별 메서드를 보호하는 synchronized라는 개념을 지원한다. 하지만 공유 클래스 하나에 동기화된 메서드가 여럿이라면 구현이 올바른지 다시 한 번 확인하기 바란다.

권장사항: 공유 객체 하나에는 메서드 하나만 사용하라.

🎃 동기화하는 부분을 작게 만들어라

락은 스레드를 지연시키고 부하를 가중시킨다. 그러므로 여기저기서 synchronized 문을 남발하는 코드는 바람직하지 않다. 반면, 임계영역은 반드시 보호해야 한. 따라서, 코드를 짤 때는 임계영역 수를 최대한 줄여야 한다.

임계영역 개수를 줄인답시고 거대한 임계영역 하나로 구현하는 순진한 프로그래머도 있다. 필요 이상으로 임계영역 크기를 키우면 스레드 간에 경쟁이 늘어나고 프로그램 성능이 떨어진다.

권장사항: 동기화하는 부분을 최대한 작게 만들어라.

🎃 올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다.

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

깔끔하게 종료하는 다중 스레드 코드를 짜야 한다면 시간을 투자해 올바로 구현하기 바란다.

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

🎃 스레드 코드 테스트하기

코드가 올바르다고 증명하기는 현실적으로 불가능하다. 테스트가 정확성을 보장하지는 않는다. 그럼에도 충분한 테스트는 위험을 낮춘다. 그런데 같은 코드와 같은 자원을 사용하는 스레드가 둘 이상으로 늘어나면 상황은 급격하게 복잡해진다.

권장사항: 문제를 노출하는 테스트 케이스를 작성하라. 프로그램 설정과 시스템 설정과 부하를 바꿔가며 자주 돌려라. 테스트가 실패하면 원인을 추적하라. 다시 돌렸더니 통과하더라는 이유로 그냥 넘어가면 절대 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 부부을 상황에 맞춰 조정할 수 있게 작성하라.
• 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌려보라.
• 다른 플랫폼에서 돌려보라.
• 코드에 보조 코드를 넣어 돌려라. 강제로 실패를 일으키게 해보라.

🎃 결론

다중 스레드 코드는 올바로 구현하기 어렵다. 간단했던 코드가 여러 스레드와 공유 자료를 추가하면서 악몽으로 변한다. 다중 스레드 코드를 작성한다면 각별히 깨끗하게 코드를 짜야 한다. 주의하지 않으면 희귀하고 오묘한 오류에 직면하게 된다.

무엇보다 먼저, SRP를 준수한다. POJO를 사용해 스레드를 아는 코드와 스레드를 모르는 코드를 분리한다. 스레드 코드를 테스트할 때는 전적으로 스레드만 테스트한다. 즉, 스레드 코드는 최대한 집약되고 작아야 한다는 의미다.

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. 잠글 필요가 없는 코드는 잠그지 않는다. 잠긴 영역에서 다른 잠긴 영역을 호출하지 않는다. 그러려면 공유하는 정보와 공유하지 않는 정보를 제대로 이해해야 한다. 공유하는 객체 수와 범위를 최대한 줄인다. 클라이언트에게 공유 상태를 관리하는 책임을 떠넘기지 않는다. 필요하다면 객체 설계를 변경해 클라이언트에게 편의를 제공한다.

어떻게든 문제는 생긴. 초반에 드러나지 않는 문제는 일회성으로 치부해 무시하기 십상이다. 소위 일회성 문제는 대개 시스템에 부하가 걸릴 때나 아니면 뜬금없이 발생한다. 그러므로 스레드 코드는 많은 플랫폼에서 많은 설정으로 반복해서 계속 테스트해야 한다. 테스트 용이성은 TDD 3대 규칙을 따르면 자연히 얻어진다. 테스트 용이성은 또한 좀 더 넓은 설정 범위에서 코드를 수행하기 위해 필요한 기능을 제공하는 플러그인 수준을 의미한다.

깔끔한 접근 방식을 취한다면 코드가 올바로 돌아갈 가능성이 극적으로 높아진다.