13장. 동시성

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13장. 동시성

nowwater 2023. 2. 19. 01:19

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동시성이 필요한 이유

동시성은 결합을 없애는 전략. 즉, 무엇과 언제를 분리하는 전략이다.

스레드가 하나인 프로그램은 무엇과 언제가 서로 밀접하다.

구조적 관점에서 프로그램은 거대한 루프 하나가 아니라, 작은 협력 프로그램 여럿으로 구성되어 있어 무엇과 언제를 분리하면 애플리케이션 구조와 효율이 극적으로 나아진다.

따라서 시스템을 이해하기 쉽고 문제를 분리하기도 쉬워진다.

장점

구조적 개선
응답 시간과 작업 처리량 개선

동시성이 필요한 이유

동시성은 결합을 없애는 전략. 즉, 무엇과 언제를 분리하는 전략이다.

스레드가 하나인 프로그램은 무엇과 언제가 서로 밀접하다.

따라서 시스템을 이해하기 쉽고 문제를 분리하기도 쉬워진다.

장점

구조적 개선
응답 시간과 작업 처리량 개선

단점

다소 부하를 유발한다.
- 성능 측면에서 부하.
- 더 많은 코드 작성
복잡하다.
일반적으로 동시성 버그는 재현하기 어렵다.
근본적인 설계 전략을 재고해야 한다.

난관

여러 스레드가 특정 메서드를 실행하는 잠재적인 경로는 굉장히 많이 존재할 수 있다.

물론 대다수 경로는 올바른 결과를 내놓지만, 문제는 잘못된 결과를 내놓은 일부 경로이다.

이것이 동시성을 구현하기 어려운 이유이다.

동시성 방어 원칙

동시성 코드가 일으키는 문제로부터 시스템을 방어하는 원칙과 기술

단일 책임 원칙

주어진 메서드/클래스/컴포넌트를 변경할 이유가 하나여야 한다는 원칙

동시성은 복잡성 하나만으로도 따로 분리할 이유가 충분하므로, 동시성과 관련된 코드는 다른 코드와 분리해야 한다.

따름 정리: 자료 범위를 제한하라

자료를 캡슐화 하고, 공유 자료를 최대한 줄여라.

공유 객체를 사용하는 코드 내 임계 영역 키워드(synchronized)로 보호하라.

이런 임계영역의 수를 줄이는 기술이 중요한데, 공유 자료를 수정하는 위치가 많을수록 다음 가능성도 커진다.

보호할 임계영역을 빼먹어서 공유 자료를 수정하는 모든 코드를 망가뜨린다.
모든 임계영역을 올바로 보호했는지(DRY 위반 - Don't Repeat Yourself) 확인하느라 똑같은 노력과 수고를 반복한다.
그렇지 않아도 찾아내기 어려운 버그가 더욱 찾기 어려워진다.

따름 정리: 자료 사본을 사용하라

공유 자료를 줄이려면 처음부터 공유하지 않는 방법이 제일 좋다.

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

사본으로 동기화를 피함으로써 내부 잠금을 없애 절약한 수행 시간이 사본 생성과 가비지 컬렉션에 드는 부하를 상쇄할 가능성이 크다.

방안

객체를 복사해 읽기 전용으로 사용하기
각 스레드가 객체를 복사해 사용한 후 한 스레드가 해당 사본에서 결과를 가져오기

따름 정리: 스레드는 가능한 독립적으로 구현하라

스레드는 가능하면 독립적으로 구현하라.

다른 프로세서에서 돌려도 괜찮도록 자료를 독립적인 단위로 분할하라.

각 스레드는 클라이언트 요청 하나를 처리. 모든 정보는 비공유 출처에서 가져오고, 로컬 변수에 저장

그러면 다른 스레드와 동기화할 필요가 없어진다.

라이브러리를 이해하라

스레드 환경에 안전한 컬렉션 사용
가능하다면 스레드가 차단(block)되지 않는 방법을 사용

자바 기준

ConcurrentHashMap : 동시 읽기/쓰기 지원
ReentrantLock : 한 메서드에서 잠그고, 다른 메서드에서 푸는 락
Semaphore : 전형적인 세마포어. 개수가 있는 락
CountDownLatch : 지정한 수만큼 이벤트 발생 후 대기 중인 스레드를 모두 해제하는 락 -> 모든 스레드에게 동시에 공평하게 시작할 기회

실행 모델을 이해하라

기본 용어 중, 라이브락(Livelock) 이라는 것이 있는데 처음 보는 단어이다.

라이브락

락을 거는 단계에서 각 스레드가 서로를 방해한다. 스레드는 계속해서 진행하려 하지만, 공명(reasonance)으로 인해 굉장히 오랫동안 혹은 영원히 진행하지 못한다.

더 쉽게 생각하면, 갑이 A 를 가진 상태에서 B 를 얻으려 하나, B 는 을이 가지고 있어서 데드락을 피하기 위해 A 를 포기. 을도 마찬가지로 B 를 가진 상태에서 A 를 얻으려 하나, A 는 갑이 가지고 있어서 데드락을 피하기 위해 B 를 포기

결국 갑과 을 모두 A 와 B 중 하나만 계속해서 획득하고 해제하는 상황을 반복하게 됨

생산자-소비자

하나 이상 생산자 스레드가 정보를 생성해, 버퍼나 대기열에 넣는다.

하나 이상의 소비자 스레드가 대기열에서 정보를 가져와 사용한다.

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

쓰기 스레드가 버퍼 갱신 도중에 읽기 스레드가 버퍼를 읽지 않게,

읽기 쓰레드가 버퍼를 읽는 동안 쓰기 스레드가 버퍼를 갱신하지 않게,

복잡한 균형잡기가 필요하다.

대개 쓰기 스레드가 버퍼를 오랫동안 점유하는 바람에 여러 읽기 스레드가 버퍼를 기다리느라 처리율이 떨어짐

양쪽 균형을 잘 잡아서 동시 갱신 문제를 피하는 해법이 필요.

동기화하는 메서드 사이에 존재하는 의존성을 이해하라

동기화하는 메서드 간 의존성이 존재하면 동시성 코드에 찾아내기 어려운 버그가 생긴다.

자바에서는 개별 메서드를 보호하는 synchronized 라는 개념을 사용할 수 있다.

공유 객체 하나에는 메서드 하나만 사용하라

공유 객체 하나에 여러 메서드가 필요한 상황도 생길 수 있다.

그럴 때는 다음 세 가지 방법을 고려

1. 클라이언트에서 잠금

클라이언트에서 첫 번째 메서드를 호출하기 전에 서버를 잠궈서 마지막 메서드를 호출할 때 까지 잠금 유지

2. 서버에서 잠금

서버에다 "서버를 잠그고 모든 메서드를 호출한 후 잠금을 해제하는" 메서드 구현.
클라이언트는 이 메서드를 호출

3. 연결 서버

잠금을 수행하는 중간 단계를 생성
"서버에서 잠금" 방식과 유사하지만, 원래 서버는 변경하지 않는다는 차이 존재

동기화하는 부분을 작게 만들어라

자바에서 synchronized 키워드를 사용하면 락을 설정하고, 같은 락으로 감싼 모든 코드 영역은 한 번에 한 스레드만 실행 가능

락은 스레드를 지연시키고 부하를 가중시킨다. 따라서 여기저기 남발하는 코드는 바람직하지 않다.

반면 임계영역은 반드시 보호해야 한다. 따라서 코드를 짤 때는 임계영역 수를 최대한 줄여야 한다.

필요 이상으로 임계영역 크기를 키우면 스레드 간 경쟁이 늘어나고 프로그램 성능이 떨어진다.

올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다.

종료 코드를 개발 초기부터 고민하고 동작하게 구현하라
생각보다 어렵고 오래 걸리므로, 이미 나온 알고리즘을 검토하라

가장 흔히 발생하는 문제가 데드락 -> 절대 오지 않을 시그널을 기다림

스레드 코드 테스트하기

코드가 올바르다고 증명하기에 테스트가 정확성을 보장하지는 않는다.

그럼에도 충분한 테스트는 위험을 낮춘다.

그러므로 문제를 노출하는 테스트 케이스를 작성하고, 프로그램 설정과 시스템 설정과 부하를 바꿔가며 자주 돌려라.

테스트가 실패하면 원인을 추적한다. 다시 돌렸더니 통과하더라는 이유로 그냥 넘어가면 절대로 안된다.

그러한 상황은 고려할 사항이 아주 많다는 뜻이므로, 아래의 구체적인 지침을 따르자

말이 안 되는 실패는 잠정적인 스레드 문제로 취급하라

다중 스레드 코드는 때떄로 말이 안되는 오류를 일으킨다.

대다수 개발자는 스레드가 다른 코드와 교류하는 방식을 직관적으로 이해하지 못한다. 또, 실패를 재현하기가 아주 어렵다.

그래서 많은 개발자가 단순 일회성 문제로 치부하고 무시하는데, 이러한 문제가 계속 무시된다면 잘못된 코드 위에 코드가 계속 쌓인다.

따라서 시스템 실패를 일회성이라 치부하지 말자.

다중 스레드를 고려하지 않은 순차코드부터 제대로 돌게 만들자

스레드 환경 안/밖 에서 생기는 버그를 동시에 디버깅 하지 말라.

스레드 환경 밖에서 코드가 제대로 도는지 반드시 확인

일반적인 방법으로, 스레드가 호출하는 POJO 를 만들면 POJO 는 스레드를 모르기 때문에 스레드 환경 밖에서 테스트가 가능하다.

POJO 에 넣는 코드는 많을수록 더 좋다.

다중 스레드 코드 부분을 다양한 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 있게 구현

다양한 설정에서 실행할 목적으로 다른 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 있게 코드를 구현하라

실행 중 스레드 수 바꿔보기
실제 환경/테스트 환경 에서 돌려보기
테스트 코드를 다양한 속도로 빨리, 천천히 돌려보기
반복 테스트 가능하게 테스트 케이스 작성하기

다중 스레드 코드 부분을 상황에 맞게 조율할 수 있게 작성하라

적절한 스레드 개수를 파악하려면 상당한 시행착오 필요

처음부터 다양한 설정으로 프로그램의 성능 측정 방법을 강구하기 위해, 스레드 개수를 쉽게 조율할 수 있는 코드를 구현하라

프로세서 수보다 많은 스레드를 돌려보라

시스템이 스레드를 스와핑할 때도 문제가 발생하므로, 스와핑이 발생할 수 있게 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌려보라

스와핑이 잦을수록 임계영역을 빼먹은 코드나 데드락을 일으키는 코드를 찾기 쉬워진다.

다른 플랫폼에서 돌려보라

다중 스레드 코드는 플랫폼에 따라 다르게 돌아간다.

따라서 코드가 돌아갈 가능성이 있는 플랫폼 전부에서 테스트를 수행해야 마땅하다.

코드에 보조 코드를 넣어 돌려라. 강제로 실패를 일으키게 해보라

흔히 스레드 코드는 오류를 찾기 쉽지 않다. 간단한 테스트로는 버그가 드러나지 않는다.

스레드 버그가 재현이 어려운 이유는 코드가 실행되는 수천 가지 경로 중 아주 소수만 실패하기 때문

이때 보조 코드를 추가해 코드가 실행되는 순서를 바꿔주면 버그가 드러날 가능성이 높아진다.

보조 코드 추가 방법

1. 직접 구현하기

코드에 직접 wait(), sleep(), yield(), priority() 함수를 추가.

특별히 까다로운 코드를 테스트할 때 적합

배포 환경이 아니라 테스트 환경에서 보조 코드를 실행할 방법이 필요

스레드를 전혀 모르는 POJO 와 스레드를 제어하는 클래스로 프로그램을 분할하면 보조 코드를 추가할 위치를 찾기 쉬워진다.

2. 자동화

AOF, CGLIB, ASM 등과 같은 도구를 사용

이렇게 코드를 흔드는 이유는 스레드를 매번 다른 순서로 실행하기 위해서다.

좋은 테스트 케이스와 흔들기 기법(jiggling)은 오류가 드러날 확률을 크게 높여준다.

결론

다중 스레드 코드를 작성한다면 각별히 깨끗하게 코드를 짜야 한다. 주의하지 않으면 희귀하고 오묘한 오류에 직면

깔끔한 접근 방식을 취한다면 코드가 올바로 돌아갈 가능성이 극적으로 높아진다.

무엇보다 먼저 SRP 를 준수한다.

POJO 를 사용해 스레드를 아는 코드와 스레드를 모르는 코드를 분리한다.

스레드 코드를 테스트할 때는 전적으로 스레드만 테스트한다.

스레드 코드는 최대한 집약되고 작아야 함

동시성 오류의 잠정적 원인을 철저히 이해한다.

여러 스레드가 공유 자료 조작 or 자원 풀 공유 시 동시성 오류 발생

루프 반복 끝내거나, 프로그램을 깔끔하게 종료하는 등 경계 조건의 경우 까다로우므로 특히 주의

사용하는 라이브러리와 기본 알고리즘 이해

특정 라이브러리 기능이 기본 알고리즘과 유사한 어떤 문제를 어떻게 해결하는지 파악

보호할 코드 영역을 찾는 방법과 특정 코드영역을 잠그는 방법 이해

잠글 필요가 없는 코드는 잠그지 않는다.

잠긴 영역에서 다른 잠긴 영역을 호출하지 않는다.

클라이언트에게 공유 상태를 관리하는 책임을 떠넘기지 않는다.

공유하는 객체 수와 범위를 최대한 줄인다.

많은 플랫폼에서 많은 설정으로 반복 테스트

시간을 들여 보조 코드 추가

오류가 드러날 가능성이 크게 높아진다.

스레드 코드는 출시 전까지 최대한 오래 돌려봐야 한다.

직접 구현 or 자동화 기술을 사용하자

단점

다소 부하를 유발한다.
- 성능 측면에서 부하.
- 더 많은 코드 작성
복잡하다.
일반적으로 동시성 버그는 재현하기 어렵다.
근본적인 설계 전략을 재고해야 한다.

난관