동시성

동시성과 깔끔한 코드는 양립하기 어렵다. 스레드를 하나만 실행하는 코드는 짜기가 쉽다. 겉으로 보기에는 멀쩡하나 깊숙한 곳에 문제가 있는 다중 스레드 코드도 짜기 쉽다. 이런 코드는 시스템이 부하를 받기 전까지 멀쩡하게 돌아간다.

• 동시성이 필요한 이유?
  • 동시성은 결합을 없애는 전략이다. 즉, 무엇과 언제를 분리하는 전략이다.
  • 무엇과 언제를 분리하면 애플리케이션 구조와 효율이 극적으로 나아진다.
  • 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.
  • 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 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.
• 난관
  • 두 스레드가 같은 변수를 동시에 참조하는 등 잘못된 결과를 내놓는 경로가 있다.
• 동시성 방어 원칙
  • 단일 책임 원칙
    • 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.
    • 동시성 코드는 다른 코드와 분리하라.
  • 따름 정리: 자료 범위를 제한하라.
    • 자료를 캡슐화하라. 공유 자료를 최대한 줄여라.
  • 따름 정리: 자료 사본을 사용하라
    • 객체를 읽기 전용으로 사용하는 방법
    • 각 스레드가 객체를 복사해 사용한 후 한 스레드가 해당 사본에서 결과를 가져오는 방법
  • 따름 정리: 스레드는 가능한 독립적으로 구현하라
    • 독자적인 스레드로, 가능하면 다른 프로세서에서, 돌려도 괜찮도록 자료를 독립적인 단위로 분할하라.
• 라이브러리를 이해하라
  • 스레드 환경에 안전한 컬렉션을 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.
  • java.util.concurrent 패키지가 제공하는 클래스는 다중 스레드 환경에서 사용해도 안전하며, 성능도 좋다.
  • 언어가 제공하는 클래스를 검토하라. 자바에서는 java.util.concurrent, java.util.concurrent.atomic, java.util.concurrent.locks를 익혀라.
  • 복잡한 동시성 설계를 지원는 자바 5에 추가된 클래스 몇가지

ReentrantLock | 한 메서드에서 잠그고 다른 메서드에서 푸는 락(lock)이다. :————-:|:—————————: Semaphore | 전형적인 세마포다. 개수가 있는 락이다. CountDownLatch | 지정한 수만큼 이벤트가 발생하고 나서야 대기 중인 스레드를 모두 해제하는 락이다. 모든 스레드에게 동시에 공평하게 시작할 기회를 준다.

• 실행 모델을 이해하라
  • 다중 스레드 애플리케이션을 분류하는 방식은 여러 가지다.
  • 생산자-소비자
    • 하나 이상 생산자 스레드가 정보를 생성해 버퍼나 대기열에 넣는다.
    • 하나 이상 소비자 스레드가 대기열에서 정보를 가져와 사용한다.
    • 생산자 스레드와 소비자 스레드가 사용하는 대기열은 한정적 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 스레드에게 “대기열에 정보가 있다”는 시그널을 보낸다.
    • 소비자 스레드는 대기열에서 정보를 읽어들인 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
    • 읽기 스레드를 위한 주된 정보원으로 공유 자원을 사용하지만, 쓰기 스레드가 이 공유 자원을 이따금 갱신한다.
    • 이런 경우 처리율이 문제의 핵심이다.
    • 처리율을 강조하면 기아현상이 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 스레드에게 우선권을 준 상태에서 쓰기 스레드가 계속 이어진다면 처리율이 떨어진다.
    • 양쪽 균형을 잡으면서 동시 갱신 문제를 피하는 해법이 필요하다.
  • 식사하는 철학자들
    • 둥근 식탁에 철학자 한 무리가 둘러 앉았다.
    • 각 철학자 왼쪽에는 포크가 놓였다.
    • 식탁 가운데는 커다란 스파게티 한 접시가 놓였다.
    • 철학자들은 배가 고프지 않으면 생각하며 시간을 보낸다.
    • 배가 고프면 양손에 포크를 집어들고 스파게티를 먹는다.
    • 양손에 포크를 쥐지 않으면 먹지 못한다.
    • 왼쪽 철학자나 오른쪽 철학자가 포크를 사용하는 중이라면 그쪽 철학자가 먹고 나서 포크를 내려놓을 때까지 기다려야 한다.
    • 스파게티를 먹고 나면 포크를 내려놓고 배가 고플 때까지 다시 생각에 잠긴다.

      일상에서 접하는 대다수 다중 스레드 문제는 위 세 범주 중 하나에 속한다.

주의해서 설계하지 않으면 데드락, 라이브락, 처리율 저하, 효율성 저하 등을 겪는다.

기본 용어

한정된 자원(Bound Resource) | 다중 스레드 환경에서 사용하는 자원으로, 크기나 숫자가 제한적이다. 데이터베이스 연결, 길이가 일정한 읽기/쓰기 버퍼 등이 예다. :————-:|:—————-: 상호 배제(Mutual Exclusion) | 한 번에 한 스레드만 공유 자료나 공유 자원을 사용할 수 있는 경우를 가리킨다. 기아(Starvation) | 한 스레드나 여러 스레드가 굉장히 오랫동안 혹은 영원히 자원을 기다린다. 예를들어, 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)으로 인해, 굉장히 오랫동안 혹은 영원히 진행하지 못한다.

• 동기화하는 메서드 사이에 존재하는 의존성을 이해하라
  • 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 한 번 확인해야 한다.
  • 공유 객체 하나에는 메서드 하나만 사용하는 것을 권장한다.
  • 공유 객체 하나에 여러 메서드가 필요한 상황에 고려할 점
    • 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 서버 - 잠금을 수행하는 중간 단계를 생성한다. ‘서버에서 잠금’ 방식과 유사하지만 원래 서버는 변경하지 않는다.
• 동기화하는 부분을 작게 만들어라
  • 여기저기서 synchronized 문을 남발하는 코드는 바람직하지 않다. 반면, 임계영역은 반드시 보호해야 한다. 따라서, 코드를 짤 때는 임계영역 수를 최대한 줄여야 한다.
• 올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다
  • 깔끔하게 종료하는 코드는 올바로 구현하기 어렵다. 가장 흔히 발생하는 문제가 데드락이다. 즉, 스레드가 절대 오지 않을 시그널을 기다린다.
  • 깔끔하게 종료하는 다중 스레드 코드를 짜야 한다면 시간을 투자해 올바로 구현해야 한다.
  • 종료 코드를 개발 초기부터 고민하고 동작하게 초기부터 구현해야 한다. 생각보다 오래 걸린다. 생각보다 어려우므로 이미 나온 알고리즘을 검토해야 한다.
• 스레드 코드 테스트 하기
  • 테스트가 정확성을 보장하지는 않는다. 그럼에도 충분한 테스트는 위험을 낮춘다.
  • 문제를 노출하는 테스트 케이스를 작성하라. 프로그램 설정과 시스템 설정과 부하를 바꿔가며 자주 돌려라. 테스트가 실패하면 원인을 추적한다. 다시 돌렸더니 통과하더라는 이유로 그냥 넘어가면 절대로 안 된다.
  • 말이 안 되는 실패는 잠정적인 스레드 문제로 취급하라.
    • 시스템 실패를 ‘일회성’이라 치부하지 말아야 한다.
  • 다중 스레드를 고려하지 않은 순차 코드부터 제대로 돌게 만든다.
    • 스레드 환경 밖에서 생기는 버그와 스레드 환경에서 생기는 버그를 동시에 디버깅하지 않는다. 먼저 스레드 환경 밖에서 코드를 올바로 돌린다.
  • 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 다양한 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 있도록 스레드 코드를 구현한다.
    • 다중 스레드를 쓰는 코드를 다양한 설정으로 실행하기 쉽게 구현한다.
    • 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.
    • 다양한 설정에서 실행할 목적으로 다른 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 있게 코드를 구현해야 한다.
  • 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 상황에 맞춰 조정할 수 있게 작성한다.
    • 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 돌려본다.
    • 시스템이 스레드를 스와핑할 때도 문제가 발생한다. 스와핑을 일으키려면 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌린다. 스와핑이 잦을수록 임계영역을 빼먹은 코드나 데드락을 일으키는 코드를 찾기 쉬워진다.
  • 다른 플랫폼에서 돌려본다.
    • 코드가 돌아갈 가능성이 있는 플랫폼 전부에서 테스트를 수행한다.
    • 처음부터 그리고 자주 모든 목표 플랫폼에서 코드를 돌린다.
  • 코드에 보조 코드를 넣어 돌린다. 강제로 실패를 일으키게 한다.
    • 스레드 버그가 산발적이고 우발적이고 재현이 어려운 이유는 코드가 실행되는 수천 가지 경로 중에 아주 소수만 실패하기 때문이다.
    • 직접 구현하든 자동화하든 보조 코드를 추가해 코드가 실행되는 순서를 바꿔준다.
    • 흔들기 기법을 사용해 오류를 찾아낸다. 코드를 흔드는 이유는 스레드를 매번 다른 순서로 실행하기 위해서다. 좋은 테스트 케이스와 흔들기 기법은 오류가 드러날 확률을 크게 높여준다.

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, SRP(Single Responsibility Principle)를 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.

동시성 오류를 일으키는 잠정적인 원인을 철저히 이해한다. 예를 들어, 여러 스레드가 공유 자료를 조작하거나 자원 풀을 공유할 때 동시성 오류가 발생한다. 루프 반복을 끝내거나 프로그램을 깔끔하게 종료하는 등 경계 조건의 경우가 까다로우므로 특히 주의한다.

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.

어떻게는 문제는 생긴다. 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.

시간을 들여 보조 코드를 추가하면 오류가 드러날 가능성이 크게 높아진다. 직접 구현해도 괜찮고 몇 가지 자동화 기술을 사용해도 괜찮다. 초반부터 보조 코드를 고려한다. 스레드 코드는 출시하기 전까지 최대한 오랫동안 돌려봐야 한다.

깔끔한 접근 방식을 취한다면 코드가 올바로 돌아갈 가능성이 극적으로 높아진다.