[프로그래밍 방법론] 동시성(여러개의 쓰레드)에 대한 코드 - Clean Code

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[프로그래밍 방법론] 동시성(여러개의 쓰레드)에 대한 코드 - Clean Code

이 글은 Clean Code 책의 내용을 정리한 것입니다.

동시성과 깔끔한 코드는 양립하기 어렵습니다. 쓰레드를 하나만 실행하는 코드를 짜기는 쉽습니다. 문제가 있는 다중 스레드 코드도 짜기 쉽습니다. 이 글에서는 여러 스레드를 동시에 돌리는 이유에 대해서 이야기하겠습니다. 

동시성이 필요한 이유는?

동시성은 결합을 없애는 전략입니다. 무엇(What)과 언제(When)을 분리하는 전략입니다. 쓰레드가 하나인 프로그램은 무엇과 언제가 서로 밀접합니다. 이는 호출스택을 통해서 바로 확인이 가능한데 단일 스레드 프로그램을 디버깅하는 프로그래머는 일련의 정지점을 정한 후 어느 정지점에 걸렸는지 살펴보면서 시스템 상태를 파악하게 됩니다.

무엇과 언제를 분리하면 애플리케이션 구조와 효율이 극적으로 나아집니다. 예를 들어 웹 어플리케이션이 표준으로 사용하는 Servlet 모델을 살펴보도록 하겠습니다. Servlet은 동시성을 부분적으로 관리합니다. 웹 요청이 들어올 때마다 웹 서버는 비동기식으로 서블릿을 실행합니다. 원칙적으로 각 서블릿 쓰레드가 다른 쓰레드와 무관하게 처리가 됩니다.

동시성과 관련된 일반적인 미신과 오해는 아래와 같습니다.

• 동시성은 항상 성능을 높여준다. : 때로 성능을 높여주기도 하지만 대기 시간이 아주 길거나, 여러 쓰레드가 프로세서를 공유하거나, 프로세서가 동시에 처리할 독립적인 계산이 충분ㄴ히 높은 경우에만 성능이 높아집니다.
  
  
• 동시성을 구현해도 설계는 변하지 않는다. : 단일과 다중 쓰레드 기반은 설계가 판이하게 다릅니다.
  
  
• 웹 또는 EJB 컨테이너를 사용하면 동시성을 이해할 필요가 없다 : 실제로 컨테이너가 어떻게 동작하는지, 어떻게 동시 수정, 데드락 등과 같은 문제를 피할 수 있는지를 알아야하만 합니다.

아래는 동시성과 관련된 타당한 아이디어를 나타냅니다.

• 동시성은 다소 부하를 유발한다.
• 동시성을 복잡하다.
• 일반적으로 동시성 버그는 재현하기 어렵다.
• 동시성을 구현하려면 흔히 근본적인 설계 전략을 재고해야 한다.

난관

그럼 동시성을 구현하기가 어려운 이유는 무엇일까요? 아래의 클래스를 살펴보도록 하겠습니다.

public class X 

{

private int lastIdUsed;

public int getNextId()

{

return ++lastIdUsed;

}

}

위의 코드를 동시에 접근하게 되면 하나의 X 인스턴스는 1을, 나머지는 2를 받게 되지만, lastIdUsed가 1이 되는 처참한 상황이 발생할 수 있습니다. 

동시성 방어 법칙

위의 문제를 해결하기 위해서는 시스템을 방어하는 원칙과 기술이 필요합니다. 관련된 기술은 아래와 같습니다.

단일 책임 원칙(Single Responsibility Principle, SRP) : SRP는 주어진 메소드/클래스/컴포넌트를 변경할 이유가 하나여야 한다는 원칙입니다. 동시성은 복잡성 하나만으로 따로 분리할 이유가 필요합니다. 동시성과 관련된 코드는 다른 코드와 불리해야 합니다.

이를 위한 권장 사항으로는 동시성 코드는 다른 코드와 분리해야 합니다.

자료 범위를 제한하라 : 객체하나를 공유 한 후 동일 필드를 수정하는 두 쓰레드가 서로간섭을 하므로 예상치 못한 겨로가를 얻게 됩니다. 이를 해결하기 위해서는 임계 영역(synchronized) 키워드를 통해서 보호해야 한다고 권장합니다. 하지만 임계 영역을 늘어나면 퍼포먼스에 많은 문제가 발생하므로 이를 줄이는 기술이 중요합니다. 

이를 위한 권장 사항으로는 자료를 캡슐화하고, 공유 자료를 최대한 줄여야 합니다.

자료의 사본을 이용하라 : 공유 자료를 줄이기 위해서는 객체를 복사해 읽기 전용으로 사용하거나, 각 쓰레드가 객체를 복사해 사용한 후 쓰레드가 사본으로 결과를 가져오는 방법 사용이 가능합니다.

쓰레드는 가능한 독립적으로 구현하라 : 다른 쓰레드와 자료를 공유하지 않는 자신만의 세상이 존재하는 스레드를 구현합니다.

다중 쓰레드를 이용하는 실행 모델

다중 쓰레드를 애플리케이션을 분류하는 방식은 여러가지 입니다. 이에 대한 몇가지 기본적인 용어부터 알아보도록 합시다.

이름	설명
한정된 자원 (Bound Resource)	다중 스레드 환경에서 사용하는 자원으로 크기와 숫자가 제한적입니다. 데이터베이스 연결, 길이가 일정한 읽기/쓰기 버퍼등이 예입니다.
상호 배제 (Mutual Exclusion)	한번에 한 쓰레드만 공유자료나 공유 자원을 사용할 수 있는 경우를 가르킵니다.
기아 (Starvation)	한 쓰레드나 여러 쓰레드가 굉장히 오랫동안 혹은 영원히 자원을 기다립니다. 항상 짧은 쓰레드에게 우선 순위를 준다면 짧은 쓰레드가 지속적으로 길어질 경우, 긴 쓰레드가 기아 상태에 빠집니다.
데드락 (Deadlock)	여러 쓰레드가 서로 끝나기를 기다립니다.
라이브락 (Livelock)	락을 거는 단계에서 각 쓰레드가 서로를 방해합니다.

기본 개념을 알았으니, 다중 쓰레드 프로그래밍에서 사용하는 실행모델을 살펴보도록 하겠습니다.

1) 생산자-소비자 패턴

하나이상 생산사 쓰레드가 정보를 생성해 버퍼나 큐에 넣고 하나 이상의 소비자 쓰레드가 처리를 합니다. 잘못하면 생산자 쓰레드와 소비자 쓰레드가 둘다 진행 가능함에도 불구하고 동시에 서로에게 시그널을 기다릴 수도 있습니다.

2) 읽기-쓰기 패턴

읽기 쓰레드를 위한 주된 정보원으로 공유 자원을 사용하지만, 쓰기 쓰레드가 이 공유 자원을 갱신하면 이때는 처리율이 문제의 핵심이 됩니다. 처리율을 강조하면 기아나 오래된 정보가 쌓이게 되는 문제가 발생하게 됩니다. 쓰기 쓰레드가 버퍼를 오랫동안 점유하는 바람에 여러 읽기 쓰레드가 버퍼를 기다리느라 처리율이 떨어집니다.

3) 식사하는 철학자들(Dining Philosophers)

식사하는 철학자들 문제는 전산학에서 동시성과 교착 상태를 설명하는 예시로, 여러 프로세스가 동시에 돌아갈 때 교착 상태가 나타나는 원인을 직관적으로 알 수 있습니다.

다섯 명의 철학자가 원탁에 앉아 있고, 각자의 앞에는 스파게티가 있고 양옆에 젓가락이 한 짝씩 있다고 가정합니다. 그리고 각각의 철학자는 다른 철학자에게 말을 할 수 없습니다. 이때 철학자가 스파게티를 먹기 위해서는 양 옆의 젓가락 짝을 동시에 들고 있어야 하며, 이때 각각의 철학자가 왼쪽의 젓가락 짝을 들고 그 다음 오른쪽의 젓가락 짝을 들어서 스파게티를 먹는 알고리즘을 가지고 있으면, 다섯 철학자가 동시에 왼쪽의 젓가락 짝을 든 다음 오른쪽의 젓가락 짝을 들 때까지 무한정 기다리는 교착 상태에 빠지게 될 수 있습니다. 

또한 어떤 경우에는 동시에 젓가락 양짝을 집을 수 없어 식사를 하지 못하는 기아 상태가 발생할 수도 있고, 몇몇 철학자가 다른 철학자보다 식사를 적게 하는 경우가 발생하기도 합니다.

효율적인 동시성을 처리하기 위한 권장 사항

• 공유 객체 하나에는 메소드 하나만 사용하라.
• 동기화 하는 부분을 최대한 작게 만들어라.
• 종료 코드를 개발 초기부터 고민하고 동작하게 초기부터 구현하라.
• 문제를 노출하는 테스트 케이스를 작성하라. 프로그램 설정과 시스템 설정과 부하를 바꿔가며 자주 돌려라 (극단적 테스트)
• 시스템 실패를 일회성이라 치부하지 말라
• 쓰레드 환경 밖에서 생기는 버그와 쓰레드 환경에서 생기는 버그를 동시에 디버깅 하지말라.
• 처음부터 그리고 자주 모든 목표 플랫폼에서 코드를 돌려라
• 흔들기 기법을 사용하여 오류를 찾아내라.

결론

다중 쓰레드 코드는 올바로 구현하기 어렵습니다. 올바르게 구현하기 위해서는 아래의 항목을 따라야 합니다. 

• SRP를 준수합니다. POJO를 사용해 쓰레들 아는 코드와 모르는 코드를 분리합니다. 쓰레드는 최대한 집약되고 작아야 합니다.
• 동시성 오류를 일으키는 잠정적인 원인을 철저히 이해해야 합니다.
• 사용하는 라이브러리와 기본 알고리즘을 이해합니다.
• 보호할 코드영역을 찾아내는 방법과 특정 코드 영역을 잠그는 방법을 이해합니다.
• 초반에 드러나지 않는 문제는 일회성으로 치부하지 말고, 많은 테스트를 거칩니다.

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