클린코드 스터디 - 013

13장 동시성

객체는 처리의 추상화다. 스레드는 일정의 추상화다.

동시성과 깔끔한 코드는 양립하기 어렵다.

동시성이 필요한 이유?

동시성은 결합(coupling)을 없애는 전략이다. 즉, 무엇(what)과 언제(when)을 분리하는 전략이다.

무엇과 언제를 분리하면 애플리케이션 구조와 효율이 극적으로 나아진다. 구조적인 관점에서 프로그램은 거대한 루프 하나가 아니라 작은 협력 프로그램 여럿으로 보인다.

응답시간과 작업 처리량(throughput)을 개선하려면 직접적인 동시성 구현이 불가피하다. 이렇듯 반드시 동시성이 필요한 상황이 존재한다.

미신과 오해

동시성에 대한 오해

• 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.
• 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. → 컨테이너가 어떻게 동작하는지, 어떻게 동시 수정, 데드락 등과 같은 문제를 피할 수 있는지 알아야 한다.

동시성에 대한 타당한 생각

• 동시성은 다소 부하를 유발한다. → 성능 측면에서 부하가 걸리며, 코드도 더 짜야 한다.
• 동시성은 복잡하다. → 간단한 문제라도 동시성은 복잡하다.
• 일반적으로 동시성 버그는 재현하기 어렵다. → 진짜 결함으로 간주되지 않고 일회성 문제로 여겨 무시하기 쉽다.
• 동시성을 구현하려면 근본적인 설계 전략을 재고해야 한다.

난관

동시성을 구현하기가 어려운 이유는 무엇일까?

public class X {

private int lastIdUsed;

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

인스턴스 X를 생성하고, lastIdUsed 를 42로 설정한 다음, 두 스레드가 해당 인스턴스를 공유한다.

두 스레드가 getNextId();를 호출한다면, 결과는 셋 중 하나다.

• 한 스레드는 43을 받는다. 다른 스레드는 44를 받는다. lastIdUsed는 44가 된다.
• 한 스레드는 44을 받는다. 다른 스레드는 43을 받는다. lastIdUsed는 44가 된다.
• 한 스레드는 43을 받는다. 다른 스레드는 43를 받는다. lastIdUsed는 44가 된다.

객체 하나를 공유한 후 동일 필드를 수정하던 두 스레드가 서로 간섭하므로 예상치 못한 결과를 내놓는다.

동시성 방어 원칙

동시성 코드가 일으키는 문제로부터 시스템을 방어하는 원칙과 기술

단일 책임 원칙 Single Responsibility Principle, SRP

동시성 코드는 다른 코드와 분리해야 한다.

• 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.

따름 정리 corollary: 자료 범위를 제한하라

자료를 캡슐화하라. 

공유 자료를 최대한 줄여라.

공유 객체를 사용하는 코드 내 임계영역(critical section)을 synchronized 키워드로 보호하라. critical section의 수를 줄이는 기술이 중요하다.

공유자료를 수정하는 위치가 많을수록

• 보호할 critical section을 빼먹는다. 그래서 공유 자료를 수정하는 모든 코드를 망가뜨린다.
• 모든 critical section을 올바로 보호했는지 확인하느라 똑같은 수고를 반복한다.
• 찾아내기 어려운 버그가 더욱 찾기 어려워진다.

따름 정리: 자료 사본을 사용하라

공유 자료를 줄이려면 처음부터 공유하지 않는 방법이 제일 좋다.

객체를 복사해 읽기 전용으로 사용하거나, 각 스레드가 객체를 복사해 사용한 후 한 스레드가 해당 사본에서 결과를 가져오는 방법도 가능하다.

따름 정리: 스레드는 가능한 독립적으로 구현하라

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

각 스레드는 다른 스레드와 자료를 공유하지 않고, 클라이언트 요청 하나를 처리하도록 구현해라.

모든 정보는 비공유 출처에서 가져오며 로컬 변수에 저장한다.

라이브러리를 이해하라

언어가 제공하는 클래스를 검토하라.

자바에서는

• java.util.concurrent
• java.util.concurrent.atomic
• java.util.concurrent.locks

를 익혀라.

자바 5로 스레드 코드를 구현한다면 고려해야 할 것들

• 스레드 환경에 안전한 컬렉션을 사용한다. (자바 5부터 제공)
• 서로 무관한 작업을 수행할 때는 executer 프레임워크를 사용한다.
• 가능하면 스레드가 차단(blocking)되지 않는 방법을 사용한다.
• 일부 클래스 라이브러리는 스레드에 안전하지 못하다.

스레드 환경에 안전한 컬렉션

java.util.concurrent패키지가 제공하는 클래스는 다중 스레드 환경에서 사용해도 안전하며, 성능도 좋다.

ConcurrentHashMap은 거의 모든 상황에서 HashMap보다 빠르다.

동시 읽기/쓰기를 지원하며, 자주 사용하는 복합 연산을 다중 스레드 상에서 안전하게 만든 메서드로 제공한다.

• ReentrantLock : 한 메서드에서 잠그고 다른 메서드에서 푸는 락(lock)이다.
• Semaphore : 전형적인 세마포어다. 개수(count)가 있는 락이다.
• CountDownLatch : 지정한 수만큼 이벤트가 발생하고 나서야 대기 중인 스레드를 모두 해제하는 락이다. 모든 스레드에게 동시에 공평하게 시작할 기회를 준다.

실행 모델을 이해하라

기본용어

• 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 사용하라 수 있는 경우를 가리킨다.
• 기아(Starvation) : 한 스레드나 여러 스레드가 굉장히 오랫동안 혹은 영원히 자원을 기다린다. 예를 들어, 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 다르 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.

생산자-소비자 Producer-Consumer

• 하나 이상의 생산자 스레드가 정보를 생성해 버퍼나 대기열에 넣는다.
• 하나 이상의 소비자 스레드가 대기열에서 정보를 가져와 사용한다.
• 생산자, 소비자 스레드는 대기열의 정보를 읽어서 상대 스레드에게 ‘대기열 정보 있음’, ‘대기열 정보 없음’ 시그널을 보낸다.
• 생산자 스레드는 ‘대기열 정보 없음’ 시그널을 받으면 정보를 채운다.
• 소비자 스레드는 ‘대기열 정보 있음’ 시그널을 받으면 정보를 가져온다.
• 따라서 소비자 스레드가 ‘대기열 정보 있음’을 생산자 스레드가 ‘대기열 정보 없음’을 동시에 기다릴 가능성이 존재한다.

읽기-쓰기 Readers-Writers

• 읽기 스레드가 공유 자원을 사용하지만, 쓰기 스레드가 이 공유 자원을 이따금 갱신한다.
• 처리율을 강조하게 되면 기아 현상이 생기거나 오래된 정보가 쌓인다.
• 갱신을 강조하게 되면 처리율이 저하된다.
• 쓰기 스레드가 버퍼를 갱신하는 경우와 읽기 스레드가 버퍼를 읽는 경우의 균형잡힌 해법이 필요하다.

식사하는 철학자들 Dining Philosophers

• 둥근 식탁에 철학자 한 무리가 둘러앉았다.
• 각 철학자의 왼쪽에는 포크가 놓여있다.
• 철학자들은 양손에 포크를 집었을 때만 가운데 있는 음식을 먹을 수 있다.
• 모든 철학자들이 각 왼쪽의 포크만을 쥐고 있게되면 아무도 음식을 먹지 못하는 상태에 빠진다.

동기화하는 메서드 사이에 존재하는 의존성을 이해하라

공유 객체 하나에는 메서드 하나만 사용하라.

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

자바 언어는 개별 메서드를 보호하는 synchronized를 지원한다.

• 클라이언트에서 잠금 : 클라이언트에서 첫 번째 메서드를 호출하기 전에 서버를 잠근다. 마지막 메서드를 호출할 때까지 잠금을 유지한다.
• 서버에서 잠금 : 서버에 ‘서버를 잠그고 모든 메서드를 호출한 후 잠금을 해제하는 메서드’를 구현한다. 클라이언트는 이 메서드를 호출한다.
• 연결 서버 : 잠금을 수행하는 중간 단계를 생성한다. ‘서버에서 잠금’방식과 유사하지만 원래 서버는 변경하지 않는다.

동기화하는 부분을 작게 만들어라

자바에서 synchronized 키워드를 사용하면 락을 설정한다.

같은 락으로 감싼 모든 코드 영역은 한 번에 한 스레드만 실행이 가능하다.

락은 스레드를 지연시키고 부하를 가중시키므로, 여기저기 synchronized문을 남발하면 안 된다.

반면, critical section은 반드시 보호해야 한다.

따라서 코드를 짤 때는 critical section의 수를 최대한 줄인다.

critical section 개수를 줄인다고 크기를 키우면 스레드 간에 경쟁이 늘어나고 프로그램 성능이 떨어진다.

올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다

종료 코드를 개발 초기부터 고민하고 동작하게 초기부터 구현하라.

생각보다 어려우므로 이미 나온 알고리즘을 검토하라.

스레드 코드 테스트하기

문제를 노출하는 테스트 케이스를 작성하라.

프로그램 설정과 시스템 설정과 부하를 바꿔가며 자주 돌려라.

테스트가 실패하면 원인을 추적하라.

그냥 넘어가면 절대로 안 된다.

말이 안되는 실패는 잠정적인 스레드 문제로 취급하라

대다수 개발자는 스레드가 다른 코드와 교류하는 방식을 직관적으로 이해하지 못한다.

실패를 재현하기가 아주 어렵다.

그래도 시스템 실패를 ‘일회성’이라 치부하지 마라.

잘못된 코드 위에 코드가 계속 쌓일 수도 있다.

다중 스레드를 고려하지 않은 순차 코드부터 제대로 돌게 만들자

스레드 환경 밖에서 생기는 버그와 스레드 환경에서 생기는 버그를 동시에 디버깅 하지 마라.

스레드 환경 밖에서 코드를 올바로 돌려라.

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

다양한 설정에서 실행할 목적으로 구현하라.

다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 상황에 맞게 조율할 수 있게 작성하라

적절한 스레드 개수를 조율하기 쉽게 코드를 구현한다.

프로그램이 돌아가는 도중에 스레드 개수를 변경하는 방법도 고려한다.

프로그램 처리율과 효율에 따라 스스로 스레드 개수를 조율하는 코드도 고민한다.

프로세스 수보다 많은 스레드를 돌려보라

스와핑이 잦을수록 critical section을 빼먹은 코드나 데드락을 일으키는 코드를 찾기 쉬워진다.

다른 플랫폼에서 돌려보라

처음부터 그리고 자주 모든 목표 플랫폼에서 코드를 돌려라

코드에 보조 코드 instrument 를 넣어 돌려보라. 강제로 실패를 일으키게 해보라

스레드 코드에서 오류를 찾기란 쉽지 않다.

간단한 테스트로는 버그가 드러나지 않는다.

이유는 수천 가지 경로 중 아주 소수만 실패하고, 실패하는 경로가 실행될 확률은 저조하기 때문이다.

드물게 발생하는 오류를 좀 더 자주 일으키려면, 보조 코드를 추가해 코드가 실행되는 순서를 바꿔준다.

예컨데  Object.wait(), Object.sleep(), Object.yield(), Object.priority() 를 추가해서 실행해 본다.

각 메서드는 스레드가 실행되는 순서에 영향을 미친다. 따라서 버그가 드러날 가능성도 높아진다.

잘못된 코드라면 가능한 초반에 그리고 가능한 자주 실패하는 편이 좋다.

직접 구현하기

코드에다 직접 wait(), sleep(), yield(), priority()를 추가해서 실행해본다.

까다로운 코드를 테스트할 때 적합하다.

public synchronized String nextUrlOrNull() {
	if(hasNext()) {
		String url = urlGenerator.next();
		Thread.yield(); // 테스트를 위해 추가
		updateHasNext();
		return url;
	}
	return null;
}

yield()를 삽입하면 코드가 실행되는 경로가 바뀐다.

이전에 실패하지 않았던 코드가 실패할 가능성을 열어준다.

코드가 실패한다면 yield()를 추가했기 때문이 아니다.

원래 잘못된 코드인데 증거가 드러났을 뿐이다.

자동화

jiggle(흔들기) 기법을 사용해 오류를 찾아내라.

ThreadJigglePoing.jiggle() 호출은 무작위로 sleep이나 yield를 호출한다.

결론

다중 스레드 코드는 올바로 구현하기 어렵고, 각별히 깨끗하게 코드를 짜야 한다.

무엇보다도 SRP 를 준수해야 한다.

동시성 오류를 일으키는 잠정적인 원인을 철저히 이해해야 한다.

여러 스레드가 공유 자료를 조작하거나 자원 풀을 공유할 때를 주목해야 한다.

보호할 코드 영역을 찾아내는 방법과 특정 코드 영역을 잠그는 방법을 이해한다.

잠긴 영역이 다른 잠긴 영역을 호출하지 않느다.

공유하는 객체 수와 범위를 최대한 줄인다.

클라이언트에게 공유 상태를 관리하는 책임을 떠넘기지 않는다.

참고