13. 동시성

[클린코드 - http://www.yes24.com/Product/Goods/11681152]

 

객체는 처리의 추상화다. 스레드는 일정의 추상화다. - 제임스 O. 코플리엔(James O. Coplien)

 

• 동시성과 깔끔한 코드는 양립하기 어렵다

 

동시성이 필요한 이유?

• 동시성은 무엇(what)과 언제(when)을 분리해서 결합(coupling)을 없애는 전략이다
• 무엇과 언제를 분리하면 애플리케이션 구조와 효율이 극적으로 나아진다
• 이점
  • 구조적 이점
  • 응답 시간과 처리량(throughput) 개선
• 미신과 오해
  • 동시성은 항상 성능을 높여준다
    -> 동시성은 때로 성능을 높여준다
  • 동시성을 구현해도 설계는 변하지 않는다
    -> 무엇과 언제를 분리하면 시스템 구조가 크게 달라진다
  • 웹 또는 EJB 컨테이너를 사용하면 동시성을 이해할 필요가 없다
    -> 실제로는 컨테이너가 어떻게 동작하는지, 어떻게 동시 수정, 데드락 등과 같은 문제를 피할 수 있는지를 알아야 한다
• 타당한 생각
  • 동시성은 다소 부하를 유발한다
  • 동시성은 복잡하다
  • 일반적으로 동시성 버그는 재현하기 어렵다
  • 동시성을 구현하려면 흔히 근본적인 설계 전략을 재고해야 한다

 

난관

 

동시성 방어 원칙

• 단일 책임 원칙(Single Responsibility Principle, SRP)
  • 주어진 메서드/클래스/컴포넌트를 변경할 이유가 하나여야 한다
  • 동시성 관련 코드는 다른 코드와 분리해야 한다
  • 동시성을 구현할 때 고려 사항
    • 동시서 ㅇ코드는 독자적인 개발, 변경, 조율 주기가 있다
    • 동시성 코드는 독자적인 난관이 있다
    • 잘못 구현한 동시성 코드는 별의별 방식으로 실패한다
  • 권장사항 : 동시성 코드는 다른 코드와 분리하라
• corollary : 자료 범위를 제한하라
  • 객체 하나를 공유한 후 동일 필드를 수정하던 두 스레드가 서로 간섭하므로 예상치 못한 결과를 내놓는다
  • 임계영역(critical section)을 synchronized 키워드로 보호하라고 권장하는데 임계영역 수를 줄이는 기술이 중요하다
  • 공유 자료를 수정하는 위치가 많을 수록 아래의 위험이 생긴다
    • 보호할 임계영역을 빼먹는다
    • 모든 임계영역을 올바로 보호했는지(DRY 위반) 확인하느라 똑같은 노력과 수고를 반복한다
    • 그렇지 않아도 찾아내기 어려운 버그가 더욱 찾아내기 어려워진다
  • 권장사항 : 자료를 캡슐화(encapsulation)하라. 공유 자료를 최대한 줄여라
• corollary : 자료 사본을 사용하라
  • 객체를 복사해 읽기 전용으로 사용
  • 스레드가 객체를 복사해 사용한 후 한 스레드가 해당 사본에서 결과를 가져오는 방법
  • 사본으로 동기화를 피할 수 있다면 내부 잠금을 없애 절약한 수행 시간이 사본 생성과 가비지 컬렉션에 드는 부하를 상쇄할 가능성이 크다
• corollary : 스레드는 가능한 독립적으로 구현하라
  • 자신만의 세상에 존재하는 스레드를 구현한다
    • 다른 스레드와 자료를 공유하지 않는다
    • 각 스레드는 클라이언트 요청 하나를 처리한다
    • 모든 정보는 비공유 출처에서 가져오며 로컬 변수에 저장한다
  • 권장사항 : 독자적인 스레드로, 가능하면 다른 프로세서에서, 돌려도 괜찮도록 자료를 독립적인 단위로 분할하라

 

라이브러리를 이해하라

• 고려 사항
  • 스레드 환경에 안전한 컬렉션을 사용한다. 자바 5부터 제공한다
  • 서로 무관한 작업을 수행할 때는 executor 프레임워크를 사용한다
  • 가능하다면 스레드가 차단(bloking)되지 않는 방법을 사용한다
  • 일부 클래스 라이브러리는 스레드에 안전하지 못하다
• 스레드 환경에 안전한 컬렉션
  • java.uitl.concurrent 패키지가 제공하는 클래스는 다중 스레드 환경에서 사용해도 안전하며, 성능도 좋다
  • ReentrantLock : 한메서드에서 잠그고 다른 메서드에서 푸는 락(lock)이다
  • Semaphore : 전형적인 세마포어다. 개수(count)가 있는 락이다
  • CountDownLatch : 지정한 수만큼 이벤트가 발생하고 나서야 대기중인 스레드를 모두 해제하는 락이다. 모든 스레드에게 동시에 공평하게 시작할 기회를 준다
  • 권장사항 : 언어가 제공하는 클래스를 검토하라. 자바에서는 java.util.concurrent, java.util.concurrent.atomic, java.util.concurrent.locks를 익혀라

 

실행 모델을 이해하라

• 생상자-소비자(Producer-Consumer)
  • 하나 이상 생상자 스레드가 정보를 생성해 버퍼나 대기열에 넣는다
  • 하나 이상 소비자 스레드가 대기열에서 정보를 가져와 사용한다
  • 대기열은 한정된 자원이다
• 읽기-쓰기(Readers-Writers)
  • 읽기 스레드를 위한 주된 정보원으로 공유 자원을 사용하지만, 쓰기 스레드가 이 공유 자원을 이따금 갱신한다
  • 읽기 스레드의 요구와 쓰기 스레드의 요구를 적절히 만족시켜 처리율도 적당히 높이고 기아도 방지하는 해법이 필요하다
• 식사하는 철학자들(Dining Philosophers)
  • 기업 애플리케이션은 여러 프로세스가 자원을 얻으러 경쟁한다
    주의해서 설계하지 않으면 데드락, 라이브락, 처리율 저하, 효율성 저하 등을 겪는다

 

동기화하는 메서드 사이에 존재하는 의존성을 이해하라

• 권장사항 : 공유 객체 하나에는 메서드 하나만 사용하라
• 공유 객체 하나에 여러 메서드가 필요할 때 고려 사항
  • 클라이언트에서 잠금
    • 클라이언트에서 첫 번째 메서드를 호출하기 전에 서버를 잠근다
    • 마지막 메서드를 호출할 때까지 잠금을 유지한다
  • 서버에서 잠금
    • 서버에다 "서버를 잠그고 모든 메서드를 호출한 후 잠금을 해제하는" 메서드를 구현한다
    • 클라이언트는 이 메서드르르 호출한다
  • 연결(Adapted) 서버
    • 잠금을 수행하는 중간 단계를 생성한다
    • '서버에서 잠금' 방식과 유사하지만 원래 서버는 변경하지 않는다

 

동기화하는 부분을 작게 만들어라

• 락은 스레드를 지연시키고 부하를 가중시킨다
• 임계영역은 반드시 보호해야 한다
  • 임계영역 : 동시 사용을 막아야만 프로그램이 올바로 동작하는 보호받는 코드 영역
• 코드를 짤 때는 임계영역을 최대한 줄여야 한다
• 필요 이상으로 임계영역 크기를 키우면 스레드 간에 경쟁이 늘어나고 프로그램 성능이 떨어진다
• 권장사항 : 동기화하는 부분을 최대한 작게 만들어라

 

올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다

• 깔끔하게 종료하는 코드는 올바로 구현하기 어렵다
• 가장 흔히 발생하는 문제가 데드락이다
  • 스레드가 절대 오지 않을 시그널을 기다린다
• 깔끔하게 종료하는 다중 스레드 코드를 짜야 한다면 시간을 투자해 올바로 구현해야 한다
• 권장사항 : 종료 코드를 개발 초기부터 고민하고 동작하게 초기부터 구현하라. 생각보다 오래 걸린다. 생각보다 어려우므로 이미 나온 알고리즘을 검토하라

 

스레드 코드 테스트하기

• 권장사항 : 문제를 노출하는 테스트 케이스를 작성하라, 프로그램 설정과 시스템 설정과 부하를 바꿔가며 자주 돌려라. 테스트가 실패하면 원인을 추적하라. 다시 돌렸더니 통과하더라는 이유로 그냥 넘어가면 절대로 안 된다.
• 고려할 사항
  • 말이 안 되는 실패는 잠정적인 스레드 문제로 취급하라
    • 이런 문제를 계속 무시한다면 잘못된 코드 위에 코드가 계속 쌓인다
    • 권장사항 : 시스템 실패를 '일회성'이라 치부하지 마라
  • 다중 스레드를 고려하지 않은 순차 코드부터 제대로 돌게 만들자
    • 스레드 환경 밖에서 코드가 제대로 도는지 반드시 확인한다
    • 권장사항 : 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 있도록 스레드 코드를 구현하라
    • 한 스레드로 실행하거나 여러 스레드로 실행하거나 실행 중 스레드 수를 바꿔본다
    • 스레드 코드를 실제 환경이나 테스트 환경에서 돌려본다
    • 테스트 코드를 빨리, 천천히, 다양한 속도로 돌려본다
    • 반복 테스트가 가능하도록 테스트 케이스를 작성한다
    • 권장사항 : 다양한 설정에서 실행할 목적으로 다른 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 있게 코드를 구현한다
  • 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 상황에 맞춰 조정할 수 있게 작성하라
    • 스레드 개수를 조율하기 쉽게 코드를 구현한다
    • 프로그램이 돌아가는 도중에 스레드 개수를 변경하는 방법도 고려한다
    • 프로그램 처리율과 효율에 따라 스스로 스레드 개수를 조율하는 코드도 고민한다
  • 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌려보라
    • 시스템이 스레드를 스와핑(swapping)할 때도 문제가 발생한다
    • 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
    • 권장사항 : 처음부터 그리고 자주 모든 목표 플랫폼에서 코드를 돌려라
  • 코드에 보조 코드(instrument)를 넣어 돌려라. 강제로 실패를 일으키게 해보라
    • 코드가 실행되는 수천 가지 경로 중에 아주 소수만 실패한다
    • 보조 코드를 추가해 코드가 실행되는 순서를 바꿔준다
    • 보조 코드를 추가하는 방법
      • 직접 구현하기
        • 코드에다 직접 wait(), sleep(), yield(), priority() 함수를 추가한다
        • 문제
          • 보조 코드를 삽입할 적정 위치를 직접 찾아야 한다
          • 어떤 함수를 어디서 호출해야 적당한지 어떻게 알까?
          • 배포 환경에 보조 코드를 그대로 남겨두면 프로그램 성능이 떨어진다
          • 무작위적이다. 오류가 들어날지도 모르고 드러나지 않을지도 모른다. 사실상 드러나지 않을 확률이 더 높다
      • 자동화
        • 보조 코드를 자동으로 추가하려면 AOF(Aspect-Oriented Framework), CGLIB, ASM 등과 같은 도구를 사용한다
        • 예 - ThreadJigglePoint.jiggle() 호출
          • 코드를 흔드는(jiggle) 이유는 스레드를 매번 다른 순서로 실행하기 위해서다
          • 좋은 테스트 케이스와 흔들기 기법은 오류가 드러날 확률을 크게 높여준다

 

결론

• 다중 스레드 코드를 작성한다면 각별히 깨끗하게 코드를 짜야 한다
  주의하지 않으면 희귀하고 오묘한 오류에 직면하게 된다
  • SRP를 준수한다
  • POJO를 사용해 스레드를 아는 코드와 스레드를 모르는 코드를 분리한다
  • 스레드 코드를 테스트할 때는 전적으로 스레드만 테스트 한다
  • 스레드 코드는 최대한 집약되고 작아야 한다
  • 동시성 오류를 일으키는 잠정적인 원인을 철저히 이해한다
  • 사용하는 라이브러리와 기본 알고리즘을 이해한다
  • 보호할 코드 영역을 찾아내는 방법과 특정 코드 영역을 잠그는 방법을 이해한다
  • 사스레드 코드는 많은 플랫폼에서 많은 설정으로 반복해서 계속 테스트해야 한다
  • 시간을 들여 보조 코드를 추가하면 오류가 드러날 가능성이 크게 높아진다
  • 깔끔한 접근 방식을 취한다면 코드가 올바로 돌아갈 가능성이 극적으로 높아진다