[Swift🦩] #18 동시성 ⭐️⭐️

용어 정리

• blocking : 함수 호출 시, 기대되는 행위를 모두 끝마칠 때 까지 기다렸다가 리턴되면, '블로킹되었다'.
• non-blocking : 반대로, 기대되는 행위를 요청만 하고 바로 리턴되면 '논블로킹되었다'.

• 동기 : 순차적으로 작동.
• 비동기 : 순차적이지 않다. 동시에 실행되고 있다.

Concurrency

• Swift는 비동기 / 병렬 코드 작성을 지원한다.
• 비동기(asynchronous) 코드 : 일시적으로 중단될 수 있고, 한번에 프로그램의 한 부분만 실행
• 병렬(parallel) 코드 : 동시에 코드의 여러 부분이 실행됨.

동시성 = 비동기 + 병렬

비동기 함수 호출 프로세스

1. await 로 함수를 호출하면, 함수는 해당 스레드의 제어권을 포기하게 된다.
2. async 작업 & 같은 블록 하단의 코드들을 스레드를 잡아서 바로 실행할 수 없게 됨.
3. 스레드 제어권은? 시스템에게! 그러므로 await 된 async 작업도 스케쥴 하라고 시스템에게 부탁.
4. 시스템 : 우선순위에 따라 async 말고 다른 작업을 먼저 진행할 수 있음. (해당 스레드에서)
5. async 작업의 순서가 오면, 시스템은 await 하고 있던 작업을 재개하게 하고, 어떤 특정한 스레드 제어권을 주면서 미뤄진 async 작업이 실행된다. (실행되는 스레드는 기다리기 전의 스레드와 다를 수 있음)
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출처 - https://sujinnaljin.medium.com/swift-async-await-concurrency-bd7bcf34e26f

동시성 코드 없이도 비동기 코드를 작성할 수 있었지만, 중첩 클로저를 사용해야 해서 가독성이 떨어지고 에러 상황에 대응할 수 없는 경우가 있었기 때문에, 새로 동시성 개념을 도입!

listPhotos(inGallery: "Summer Vacation") { photoNames in
    let sortedNames = photoNames.sorted()
    let name = sortedNames[0]
    downloadPhoto(named: name) { photo in
        show(photo)
    }
}

1. 비동기 함수 정의와 호출

• 비동기 함수(메서드) 는 실행 도중에 일시적으로 중단될 수 있는 특수한 함수
• 함수가 반환될 때 까지 작업을 잠시 멈출 수 있다. (block)
  • 오래 걸리는 작업을 들어가면서 잠시 멈춰놓고, 같은 프로그램 내의 다른 것이 동작할 수 있게 함.
• <-> 일반적인 동기 함수
  • 완료될 때까지 실행되거나
  • 중간에 오류 발생

• 비동기 함수임을 나타내기 위해 async 키워드 사용.
• 만약 async 함수가 throw 도 하면 async throws 순서로 작성.
• 실제로 함수를 호출하는 부분에서는 try await 를 사용.

func listPhotos(inGallery name: String) async -> [String] {
    let result = // ... some asynchronous networking code ...
    return result
}

비동기 함수 실행 흐름

• 비동기 메서드 내에서 실행 흐름은, 다른 비동기 메서드를 호출할 때만 일시 중단된다.
• 중단은 암시적으로 이루어지지 않으므로, 무조건 await 키워드로 순서대로 실행한다고 표시해야 한다.
  • async 함수가 return 되기를 기다리면서 현재 코드 부분이 실행을 일시 중단 할 수 있다.
  • 해당 쓰레드를 다른 코드에 넘겨주기 때문에, 쓰레드 양보라고 부른다.

let photoNames = await listPhotos(inGallery: "Summer Vacation")
let sortedNames = photoNames.sorted()
let name = sortedNames[0]
let photo = await downloadPhoto(named: name)
show(photo)

• await 함수는 실행을 일시 중단할 수 있어야 하기 때문에 프로그램의 특정 위치에서만 호출할 수 있다.
  • 비동기 함수, 메서드 또는 프로퍼티의 바디에 있는 코드
  • @main 으로 표시된 구조체, 클래스, 열거형의 static 메서드에 있는 코드
  • 구조화되지 않은 하위 작업 코드

2. 비동기 시퀀스

• listPhotos 의 경우, 사진 배열 전체가 준비된 다음에 전체 배열을 한번에 반환됐지만,

func listPhotos(inGallery name: String) async -> [String] {
    let result = // ... some asynchronous networking code ...
    return result
}

• for await in 구문으로 배열 아이템 하나하나를 비동기로 불러올 수도 있다.

import Foundation

let handle = FileHandle.standardInput
for try await line in handle.bytes.lines {
    print(line)
}

3. 비동기 함수 병렬로 호출

• await 로 함수를 호출하면, 코드의 한 부분만 실행됨.
• 그래서 다음 라인을 실행하기 위해 기다려야 함.

await 키워드가 붙어있어서

• download firstPhoto
• download secondPhoto
• download thirdPhoto
• 를 전부 해야만 let photos = ~~

// a
let firstPhoto = await downloadPhoto(named: photoNames[0])
let secondPhoto = await downloadPhoto(named: photoNames[1])
let thirdPhoto = await downloadPhoto(named: photoNames[2])

let photos = [firstPhoto, secondPhoto, thirdPhoto]
show(photos)

하지만 이렇게 async let 한다면?

• 비동기 함수를 호출하고 주변의 코드와 병렬적으로 실행할 수 있다.

// async 키워드를 붙여서 변수에 할당하면, 동시에 3장 받아올 수 있음.
// 이전 호출이 완료되길 기다리지 않고 시작함.
async let firstPhoto = downloadPhoto(named: photoNames[0])
async let secondPhoto = downloadPhoto(named: photoNames[1])
async let thirdPhoto = downloadPhoto(named: photoNames[2])

// 대신 이 문장은 사진 3장을 전부 받을 때 까지 기다렸다 실행해야하기 때문에 await 를 붙여야 함.
let photos = await [firstPhoto, secondPhoto, thirdPhoto]
show(photos)

• 순차적으로 실행해야 하는 작업 (이전 결과를 다시 갖다 쓴다던지) -> await 키워드를 넣어서 호출
• 딱히 나중에 결과가 필요하지 않음 -> async let

4. 작업과 작업 그룹 Task

Task : 코드를 병렬로 실행하는 기본 메커니즘

• Task : 비동기적으로 실행할 수 있는 작업 단위
• 비동기 코드는 어떤 작업의 일부로 실행된다.
• 예를 들어, 위의 async - let 구문의 경우 작업 3개로 이루어져 있다.
• Task Group 을 만들어서 하위 작업을 추가하는 형식으로, 우선순위/취소 제어, 동적으로 작업 생성 가능.

• 작업 그룹 내의 작업에는 동일한 상위 작업이 있으며, 하위 작업은 있을 수도 없을 수도 있다.
• 작업과 작업 그룹 간의 명시적인 관계가 있어서 구조적 동시성(Structured Concurrency) 접근 방식이라고 불림.
• 정확성에 대한 일부 책임을 지고 있어서, 부모-자식 관계를 통해 취소 전파 같은 일부 동작과, 컴파일 하는 동안의 일부 오류를 감지할 수 있다.

Unstructured Concurrency

• TaskGroup 같은 구조화 된 접근 방식 이외에도 동시성에 대한 접근 방식이 있다.
• 상위 작업이 없어서 완전한 유연성을 가지지만, 정확성에 대한 책임이 사용자에게 있다.
• Task.init(priority: operation:) 구문을 사용해서 현재 행위자에서 실행되는 구조화 되지 않은 작업을 생성할 수 있다.
• Task.detached(priority: operation:) 구문을 사용하면, 현재 행위자의 일부가 아닌 구조화되지 않은 작업을 생성할 수 있다.
• 작업과 상호작용할 수 있는 핸들러를 반환한다.

let newPhoto = // ... some photo data ...
let handle = Task {
    return await add(newPhoto, toGalleryNamed: "Spring Adventures")
}
let result = await handle.value

작업 취소

• Cooperative Cancellation Model 협동 취소 모델을 통해,
• 작업이 실행이 적절한 시점에서 취소되었는지 확인하고, 취소에 응답한다.
• 작업 취소의 종류
  • CancellationError 와 같은 에러 발생
  • nil 또는 빈 콜렉션 반환
  • 부분적으로 완료된 작업 반환

• Task.checkCancellation() 을 통해 CancellationError 가 발생한 순간을 잡아서 처리할 수 있음.
• Task.isCancelled 의 값을 확인하고 코드 내에서 처리할 수 있음.
• 수동으로 취소하려면 Task.cancel() 호출.

5. 행위자 Actors

• 행위자는 참조 타입
• 클래스와의 차이점
  • 한 번에 하나의 작업만 행위자 내의 프로퍼티를 변경할 수 있다.
  • 여러 작업 코드가 같은 행위자 인스턴스와 상호작용해도 안전하다.
  • mutable state 에 안전하게 접근할 수 있다.

예시.

• 클래스, 구조체 문법과 거의 유사하지만,
• actor 바깥에서 actor 안의 프로퍼티나 메서드에 접근할 때,
  • 하나의 task 만 해당 코드에 접근할 수 있으므로,
  • 다른 task 가 접근했을 때 멈춰놔야함.
  • await 키워드를 붙여서 호출한다.
• 행위자 안에서는 프로퍼티나 메서드에 접근할 때, await 를 작성하지 않는다. (actor isolation)

// actor 키워드를 사용해서 행위자를 도입하고, 중괄호로 정의.
actor TemperatureLogger {
    let label: String
    var measurements: [Int]
    private(set) var max: Int

    init(label: String, measurement: Int) {
        self.label = label
        self.measurements = [measurement]
        self.max = measurement
    }
}

extension TemperatureLogger {
    // 행위자 안에서 실행하는 함수이므로, await 를 쓰지 않는다.
    // 여러 작업에서 동시에 이 함수를 호출하는 경우, 
    // 행위자 내 프로퍼티의 불변성이 깨지므로
    // 한 번에 하나의 작업만 처리할 수 있게 만드는 행위자를 사용한다.
    func update(with measurement: Int) {
        measurements.append(measurement)
        if measurement > max {
            max = measurement
        }
    }
}

let logger = TemperatureLogger(label: "Outdoors", measurement: 25)
print(await logger.max) 
// 다른 작업의 코드가 이미 상호작용하고 있으면 접근을 기다리는 동안 일시정지.
// await 를 작성하지 않으면 에러를 뿜는다.
// Prints "25"

정리

async await

• async 키워드를 통해 원래 non-blocking 인 Swift 의 함수를 blocking 으로 만들어 주는 것.
• await 키워드를 통해 blocking 함수가 끝날때 까지 기다리는 것 (동기)
• escaping closure 를 사용해서 non-block / 비동기 로 사용하던 것을 block / 동기인 것처럼 사용.
• async 함수, await 키워드로 호출 -> 스레드 제어권 시스템에 가면서 대기 -> 시스템이 우선순위에 따라 작업 -> 차례가 돌아와서 시스템이 해당 작업에 어떤 스레드를 주면 거기에서 실행.
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• Task : 비동기 작업의 단위. 우선순위나 취소를 제어하고 동적 생성 가능.
• Actor : 하나의 task 만 mutable state에 접근할 수 있게 하여, 안전성 확보.

출처

https://bbiguduk.gitbook.io/swift/language-guide-1/concurrency
https://okky.kr/article/442803
https://sujinnaljin.medium.com/swift-async-await-concurrency-bd7bcf34e26f