[Programming] - CleanCode 11. 동시성
in Programming on Programming, Cleancode
[CleanCode] 13 : 동시성
객체의 처리는 추상화다. 쓰레드는 일정의 추상화다.
동시성과 깔끔한 코드는 양립하기 어렵다.
먼저 동시성이 필요한 이유부터 알아보자.
동시성이 필요한 이유?
동시성은 결합(coupling)을 없애는 전략이다.
무엇과 언제를 분리하는 작업이다.
하나의 큰 루프에서 프로그램이 도는 것이 아니라 작은 시스템이 협력하는 구조로 보인다.
따라서 시스템을 이해하기가 쉽다.
하지만 구조적 개선만을 위해서 동시성을 채택하는것은 아니다.
응답 시간과 작업 처리량 개선 (성능 향상) 요구사항으로 인해 동시성 구현이 불가피해진다.
동시성의 미신
- 동시성은 항상 성능을 올려준다.
- 독립적으로 처리할 작업량이 충분히 많은 경우에만 성능이 높아진다.
- 동시성으로 구현해도 설계는 변하지 않는다
- 단일 스레드 시스템과 다중 스레드 시스템의 설계는 판이하게 다르다.
- 웹 또는 EJB 컨테이너를 사용하면 동시성을 이해할 필요가 없다.
- 실제로 어떻게 동작하는지, 어떻게 동시에 수정하는지, 데드락 등 알아야 문제를 피할 수 있다.
반대로 동시성에서 나올 수 있는 문제다
- 동시성은 다소 부하를 유발한다.
- 성능 측면에서 부하가 걸리며, 코드도 더 짜야한다.
- 동시성은 복잡하다
- 일반적으로 동시성 버그는 재현하기 어렵다
- 동시성을 구현하려면 흔히 근본적인 설계 전략을 재고해야 한다.
대학교때 배웠던 Race condition 등의 문제로 동시성에는 문제가 발생한다.
동시성 방어의 원칙
그럼 어떻게 방어할까?
단일 책임 원칙
동시성은 복잡성 하나만으로도 따로 분리해야한다.
다른 코드랑 분리해라
따름 정리 (Corollary) : 자료 범위를 제한하라
공유 객체를 사용하는 코드 내 Critical section (임계 영역) 을 최대한 줄여라
자료를 캡슐화하고 공유할 자료를 최대한 줄여라
따름 정리 : 자료 사본을 사용하라
객체를 복사해서 읽기 전용으로 사용하는 방법이 가능하다
복사하는 비용보다 동기화를 피해서 부하를 상쇄할 가능성이 크다
따름 정리 : 쓰레드는 가능한 독립적으로 구현하라
자신만의 세상이 존재하는 스레드를 구현해라
다른 스레드와 동기화하지 말아라
라이브러리를 이해하라
- 스레드 환경에 안전한 컬렉션을 사용한다. Java5 부터 지원
- 서로 무관한 작업을 할때는 executor 프레임워크를 사용하라
- 가능하다면 스레드가 blocking 되지 않는 방법을 사용한다.
- 일부 클래스 라이브러리는 스레드에 안전하지 못하다
실행 모델을 이해하라
동시성에서 나오는 용어들을 정리해보자
| 한정된 자원 (Bound Resource) | 다중 스레드 환경에서 사용하는 자원으로, 크기나 숫자가 제한적 |
|---|---|
| ex) 데이터베이스 연결, 길이가 일정한 읽기/쓰기 버퍼 | |
| 상호 배제 (Mutual Exclusion) | 한번에 한 스레드만 공유 자료나 공유 자원을 사용할 수 있는 경우 |
| 기아 (Starvation) | 스레드가 굉장히 오랫동안 혹은 영원히 자원을 기다리는 경우 |
| ex) 짧은 스레드에게 우선권을 준다면 긴 스레드가 오래 기다려야 할 수 있음 | |
| 데드락 (Deadlock) | 여러 스레드가 서로 끝나길 기다리며 영원히 갇히는 상태 |
| ex) 서로 필요한 자원을 서로가 잡고 lock 건 상태 | |
| 라이브락 (LiveLock) | 락을 거는 단계에서 스레드가 서로를 방해 |
위와 같은 개념을 정리했으니 이제 실행 모델을 정리해보자.
생산자 - 소비자 (Producer - Consumer)
생산자가 정보를 생산해 Buffer나 Queue에 넣는다.
소비자가 Buffer나 Queue에서 정보를 가져와 사용한다.
여기서 사용되는 Buffer와 Queue는 한정된 자원이다.
생산자는 Buffer에 자리가 없으면 기다린다.
소비자는 Buffer에 정보가 있어야 가져온다. 없으면 기다린다.
즉, 서로에게 신호를 보낸다.
잘못 짜면 서로 무한 대기
읽기-쓰기 (Readers-Writers)
읽기 쓰레드를 위한 공유 자원을 사용한다. 문제는 쓰기 쓰레드가 해당 자원을 갱신하려고 할때 균형을 맞추는게 중요하다. 처리율을 강조하면 쓰기가 너무 오래 잡고 있거나, 읽기가 너무 오래 잡고 있어서 문제가 발생한다. 복잡한 균형잡기가 필요하다.
식사하는 철학자들 (Dining Philosophers)
철학자들은 배가 고프지 않으면 생각을 하면서 시간을 보낸다.
배가 고프면 양손에 포크를 잡고 먹는다. 양손에 포크가 없다면 먹지 못한다.
왼쪽 철학자, 오른쪽 철학자가 포크를 사용중이라면 다 내려놓을때 까지 기다려야 한다.
스파게티를 먹고 나면 포크를 내려놓고 배가 고플때까지 다시 생각에 잠긴다.
위 3가지가 대다수 다중 스레드에서 발생하는 문제에 속한다.
권장사항 : 위에서 설명하는 기본 알고리즘과 각 해법을 이해하라.
동기화하는 메서드 사이에 존재하는 의존성을 이해하라
동기화하는 메서드 사이에 의존성이 존재하면 동시성 코드에서 버그가 찾기 어려워진다.
공유 클래스 하나에 동기화된 메서드가 여럿이라면 구현을 다시 점검해봐라
권장사항 : 공유 객체 하나에는 메서드 하나만 사용하라.
만약 여러 메서드를 사용해야하면 아래 3가지를 고려해라
- 클라이언트 잠금 : 클라이언트에서 서버를 잠근다.
- 서버에서 잠금 : 서버에서 직접 호출직전 잠그고 호출이 끝나면 잠금을 풀도록 만든다.
- 연결 서버 : 잠금을 수행하는 중간 단계를 생성한다.
동기화허는 부분을 작게 만들어라
자바에서 synchronized를 사용하면 한번에 한 스레드만 동작한다. 그렇기에 남발하면 성능에 문제가 발생한다. 반면, 임계영역은 반드시 보호해야 한다.
코드를 짤 때 임계영역 수를 최대한 줄여라
권장사항 : 동기화하는 부분을 최대한 작게 만들어라
올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다
영구적으로 돌아가는 시스템과 깔끔하게 종료하는 시스템을 구현하는 방법은 다르다.
깔끔하게 종료하는 코드는 구현하기 어렵다. (데드락 등)
권장사항 : 종료 코드를 개발 초기부터 고민하고 동작하게 구현하라.
쓰레드 코드 테스트하기
테스트가 정확성을 보장하지 않는다. 하지만 충분한 테스트는 위험을 낮춘다.
문제는 공유 자원을 사용하는 스레드가 둘 이상이면 테스트하기 어려워진다.
권장사항 : 다시 돌렸더니 통과한다고 무시하지 마라. 프로그램 설정과 시스템 설정, 부하를 바꿔가며 자주 돌려라.
- 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.
결론
다중 스레드 코드를 올바르게 구현하기 어렵다. 무엇보다 먼저 SRP를 준수하자.
동시성 오류를 일으키는 잠정적인 원인을 철저히 이해한다.
보호할 코드 영역을 찾아내는 방법과 특정 코드 영역을 잠그는 방법을 이해하자.
해당 파트는 지금 내가 개발하고 있는 다중 블루투스 자동 연결 프로세스에서 좀 공감되는 내용이 많았다.
지금도 몇가지 버그가 숨어있는데 동시성 문제로 발견이 어렵다….
다중 스레드의 좋은 예시가 있으면 좋을것 같다.
