CS/Clean Code

CS Clean Code - 동시성

강태종 2022. 3. 29. 00:59

동시성이 필요한 이유?

동시성은 결합을 없애는 전략이다. 즉, 무엇과 언제를 분리하는 전략이다. 무엇과 언제를 분리하면 애플리케이션 구조와 효율은 극적으로 나아진다.

단일 스레드 프로그램에서 Break Point를 걸어놓으면 무엇을 언제 실행하는지 알 수 있다. 스레드가 하나인 프로그램은 무엇과 언제가 서로 밀접하다.
  • 구조적인 관점에서 프로그램은 거대한 루프 하나가 아니라 작은 협력 프로그램 여럿으로 보인다.
  • 시스템을 이해하기가 쉽고 문제를 분리하기도 쉽다.
  • 응답시간과 작업 처리량 개선

 

미신과 오해

반드시 동시성이 필요한 상황이 존재한다. 하지만, 동시성은 어렵다. 다음은 동시성과 관련된 일반적인 미신과 오해다.

 

- 동시성은 항상 헝능을 높여준다?

대기 시간이 아주 길어 스레드가 프로세서를 공유할 수 있거나, 처리할 독립적인 계산이 충분히 많은 경우에만 성능을 높여준다. 어느 쪽도 일반적인 상황은 아니다.

 

- 동시성을 구현해도 설계는 변하지 않는다?

단일 스레드 시스템과 다중 스레드 시스템은 설계가 판이하다. 일반적으로 무엇과 언제를 분리하면 시스템 구조가 크게 달라진다.

 

- 웹 또는 EJB 컨테이너를 사용하면 동시성을 이해할 필요가 없다?

실제로는 컨테이너가 어떻게 동작하는지, 동시 수정, 데드락 등 문제를 피할 방법을 알아야 한다.

 

- 동시성은 다소 부하를 유발한다.

성능 측면에서 부하가 걸리며, 코드도 더 짜야 한다.

 

- 동시성은 복잡하다.

간단한 문제라도 동시성은 복잡하다.

 

- 동시성은 버그 재현이 어렵다.

진짜 결함으로 간주되지 않고, 일회성 문제로 여겨 무시하기 쉽다.

 

- 동시성을 구현하려면 근본적인 설계 전략을 재고해야 한다.

 

난관

동시성을 구현하기 어려운 이유는 무엇일까?

public class X {
	private int lastIdUsed;

	public int getNextId() {
		return ++lastIdUsed;
	}
}

 

인스턴스 X를 생성하고, lastIdUsed를 42로 설정한 다음, 두 스레드가 공유한다고 가정하자.

  1. 쓰레드1 : 43, 쓰레드2 : 44, lastIdUsed : 44
  2. 쓰레드1 : 44, 쓰레드2 : 43, lastIdUsed : 44
  3. 쓰레드1 : 43, 쓰레드2 : 43, lastIdUsed : 43

 

두 스레드가 같은 변수를 동시에 참조하면 세 번쨰와 같이 놀라운 결과가 발생한다. 두 스레드가 코드 한 줄을 거쳐가는 경로는 무수히 많은데 일부 경로가 잘못된 결과를 내놓는다. 바이트 코드만 고려했을 때, 예제에서 잠재적인 경로는 12,870개, int를 long으로 바꾸는 경우 2,704,156개로 증가한다.

 

 

동시성 방어 원칙

- 단일 책임 원칙

동시성은 복잡성 하나만으로도 따로 분리할 이유가 충분하다. 즉, 동시성 관련된 코드는 다른 코드와 분리해야 한다.

  • 동시성 코드는 독자적인 개발, 변경, 조율 주기가 있다.
  • 동시성 코드에는 독자적이고 훨씬 어려운 난관이 있다.
  • 잘못 구현한 동시성 코드는 별의별 방식으로 실패한다.
동시성 코드는 다른 코드와 분리해야 한다.

 

- 따름 정리 : 자료 범위를 제한하라.

앞서 봤듯이, 임계영역은 에상치 못한 결과를 내놓는다. 임계영역은 synchronized 키워드로 보호하고, 최대한 임계영역을 줄이는 것이 중요하다.

 

임계영역이 많은 경우

  • 보호할 임계영역을 빼먹을 가능성이 높아진다.
  • 모든 임계영역을 올바르게 보호했는지 확인해야 한다.
  • 찾기 어려웠던 버그가 더욱 찾기 어려워진다.
자료를 캡슐화하라. 공유 자료를 최대한 줄여라.

 

- 따름 정리 : 자료 사본을 사용하라

임계영역을 줄이려면 처음부터 공유하지 않는 방법이 제일 좋다. 어떤 경우는 복사하여 읽기 전용으로 사용하는 방법이 있다. 복사 비용이 걱정스러울지도 모르겠다. 하지만 사본으로 동기화를 피하는 비용이 더 효율적일 수 있다.

 

- 따름 정리 : 스레드는 가능한 독립적으로 구현하라

자신만의 세상에 존재하는 스레드를 구현하라. 각 스레드는 클라이언트 요청 하나를 처리하고, 모든 정보는 비공유 출처에서 가져오며 로컬 변수에 저장한다. 그러면 다른 스레드와 동기화할 필요가 없어진다.

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

 

- 라이브러리를 이해하라

Java를 사용한다면, executor, ConcurrentHashMap 등 언어에서 제공하는 클래스를 익혀라.

  • java.util.concurent
  • java.util.concurent.atomic
  • java.util.concurent.util

 

- 실행 모델을 이해하라

- 생성자-소비자 모델

 

생성자

  • 생성자는 저장소(큐, 버퍼...)에 데이터를 저장한다.
  • 저장소가 가득 차면 데이터를 채울 수 없기 때문에 기다린다.
  • 저장소에 데이터를 채우면 소비자에게 시그널을 보낸다.

소비자

  • 저장소에서 데이터를 가져온다.
  • 저장소가 비어 있으면 데이터를 기다린다.
  • 데이터를 가져오면 생성자에게 시그널을 보낸다.

생성자, 소비자가 진행할 수 있는 상황에도 서로 시그널을 기다리는 상황이 존재할 수 있다.

 

 

- 읽기-쓰기 모델

  • 읽는 스레드의 작업 동안 쓰는 스레드의 작업은 기다린다. 정보가 업데이트 되지 않는 문제가 생긴다.
  • 쓰는 스레드의 작업 동안 읽는 스레드의 작업은 기다린다. 기아 현상의 위험이 있다.

적당한 처리율과 기아 현상이 없는 방법이 필요하다.

 

 

- 식사하는 철학자들

  • 원형 식탁에 철학자들이 앉고 앞에는 스파케티가 있으며 양옆에 포크 하나씩 있다.
  • 철학자는 양손에 포크를 들어야 하며, 왼쪽 포크를 들고 오른쪽 포크를 들어서 스파게티를 먹는다.
  • 모두가 동시에 왼쪽 포크를 들 수 있으나 오른쪽 포크는 이미 가져간 상태기 때문에 교착 상태에 빠진다.

 

동기화하는 메서드 사이에 존재하는 의존성을 이해하라

동기화하는 메서드 사이에 의존성이 존재하면 코드가 복잡해진다. 공유 클래스 하나에 동기화된 메서드가 여럿이라면 구현이 올바른지 다시 한 번 확인하기 바란다.

공유 객체 하나에는 메서드 하나만 사용한다.

 

공유 객체 하나에 여러 메서드가 필요한 상황도 생긴다. 그럴 때는 다음 세 가지 방법을 고려한다.

  • 클라이언트에서 잠금 - 클라이언트에서 첫 번째 메서드를 호출하기 전에 서버를 잠근다. 마지막 메서드를 호출할 때까지 잠금을 유지한다.
  • 서버에서 잠금 - 서버에서 서버를 잠그고 모든 메서드를 호출한 후 잠금을 해제하는 메서드를 구현한다. 그리고 클라이언트는 이 메서드를 사용한다.
  • 연결 서버 - 잠금을 수행하는 중간 단계를 생성한다. 서버에서 잠금 방식과 유사하지만 원래 서버를 잠그지는 않는다.

 

동기화 부분을 작게 만들어라

임계영역 개수를 줄인다고 하나의 거대한 임계영역을 구현하는 순진한 프로그래머도 있다. 임계영역 크기가 커지면 스레드 간에 경쟁이 늘어나고 프로그램 성능이 떨어진다.

동기화하는 부분을 최대한 작게 만들어라.

 

올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다

깔끔하게 종료하는 코드는 올바로 구현하기 어렵다. 가장 흔히 발생하는 문제가 데드락이다. 종료 코드를 개발 초기부터 고민하고, 동작하게 초기보터 구현하라. 생각보다 어려우므로 이미 나온 알고리즘을 검토하라.

부모 스레드가 자식 스레드를 여러 개 만든 후 모두가 끝나기를 기다리고 종료하는 시스템이 있다. 하지만 자식 스레드 중 두 개가 생산자/소비자 관계라면? 자식 스레드가 데드락에 걸리고, 부모 스레드는 오지 않는 시그널을 무한히 기다린다.

 

스레드 코드 테스트하기

프로그램 설정과 시스템 설정과 부하를 바꿔가며 자주 돌려라. 테스트가 실패하면 원인을 추적하라. 다시 돌렸더니 통과하더라는 이유로 그냥 넘어가면 절대로 안 된다.

 

- 말이 안 되는 실패는 잠정적인 스레드 문제로 취급하라

다중 스레드 코드는 때때로 말이 안 되는 오류를 일으킨다. 스레드 코드에 잠입한 버그는 수백만 번에 한 번씩 드러나기도 한다. 단순한 일회성 문제로 무시하면 안된다. 계속 무시한다면 잘못된 코드 위에 코드가 쌓인다.

 

- 다중 스레드를 고려하지 않은 순차 코드부터 제대로 돌게 만들자

스레드 환경 밖에서 생기는 버그와 스레드 환경에서 생기는 버그를 동시에 디버깅하지 마라. 먼저 스레드 환경 밖에서 코드를 올바로 돌려라.

 

- 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 다양한 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 있게 스레드 코드를 구현하라

하나의 스레드, 여러 스레드, 실행 중 스레드 수를 바꿀 수 있도록 코드를 구현한다.

 

- 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 상황에 맞게 조율할 수 있게 작성하라

 

- 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌려보라

시스템이 스레드를 스와핑할 때도 문제가 발생한다. 스와핑을 일으키려면 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌린다.

 

- 다른 플랫폼에서 돌려보라

 

- 코드에 보조코드를 넣어 돌려라. 강제로 실패를 일으키게 해보라

스레드 코드에서 오류를 찾기란 쉽지 않다. 이유는 수천 가지 경로 중 아주 소수만 실패하고, 확률이 저조하기 때문이다. 보조 코드를 추가하여 오류를 좀 더 자주 일으켜라

  • Object.wait()
  • Object.sleep()
  • Object.yield()
  • Object.priority()