Atomic 변수

Declaration

현재 개발중인 프로젝트에서 사용하고 있는 라이브러리의 코드를 보다보니 Atomic<A>라는 구조체가 있엇고
참고할 수 있는 링크가 있기에 호기심에 들어가 봤다가 흥미로운 내용인거 같아 번역을 해봅니다.

What is Atomic Variables

Atomic Variables란 무엇일까?

바로 원자성을 보장하는 변수를 뜻합니다. 멀티 쓰레드 환경에서 동시에 해당 변수에 접근하더라도 race condition 문제를 해결 하기 위해서 고안된 방법입니다.

Swift 에서는 이를 해결하기 위해 CGD Queue를 사용하여 변수에 대한 동기화된 액세스를 제공하는 Atomic Variables를 사용합니다.

Race Condition 이란?
두 개 이상의 프로세스가 병행적으로(concurrently) 읽거나 쓰는 동작을 할 때, 공용 데이터에 대한 접근이 어떤 순서에 따라 이루어졌는지에 따라 그 실행 결과가 같지 않고 달라지는 상황을 말한다.
Race의 뜻 그대로, 간단히 말하면 경쟁하는 상태, 즉 두 개의 스레드가 하나의 자원을 놓고 서로 사용하려고 경쟁하는 상황을 말한다.
race condition 에는 Mutual exclusion, deadlock, starvation 이렇게 세 가지의 종류가 있다.

How To Use

기본적인 사용방법에 대해서 알아봅시다.

final class Atomic<A> {
	private let queue = DispatchQueue(label: "Atomic serial queue")
    private var _value: A
    
    init(_ value: A) {
        self._value = value
    }

    var value: A {
        return queue.sync { self._value }
    }
}

물론, 단순히 읽기만 하는것은 흥미롭지 못합니다. 우리는 그것을 수정할 방법도 필요합니다.
value를 다음과 같이 get set을 활용하여 변경하는것은 매우 매력적인 방법입니다.

var value: A {
    get {
        return queue.sync { self._value }
    }
    set { // BAD IDEA
        queue.sync {
            self._value = newValue
        }
    }
}

하지만 위의 방법은 굉장히 나쁜 방법입니다. 왜 그런지 예제를 통해 확인해봅시다.

var x = Atomic<Int>(5)
x.value += 1

충분히 원자성을 확보한것 처럼 보이지만 전혀 그렇지 않습니다. 먼저 값을 읽고 (원자적으로) 값을 증가 시켜서 다시 씁니다(원자적으로). 단순히 하나의 행동으로는 앱을 손상시킬 수 없지만, 다른 스레드가 읽기 및 쓰기를 하는 사이에 값을 수정하게 되면 잘못된 값이 표시될 수 있습니다.

Swift5 에서는 _modify를 사용하여 해결할 수 있습니다. 하지만, 사용할 수 없을 때에 우리는 다른 해결책이 필요합니다.
대신, 우리는 기본 변수를 원자적으로 변이시키는 돌연변이 방법을 추가하도록 합시다.

final class Atomic<A> {
    private let queue = DispatchQueue(label: "Atomic serial queue")
    private var _value: A
    init(_ value: A) {
        self._value = value
    }

    var value: A {
        get {
        	return queue.sync { self._value }
        }
    }

    func mutate(_ transform: (inout A) -> ()) {
        queue.sync {
            transform(&self._value)
        }
    }
}

이것은 call site를 좀 더 장황하게 만들지만, thread-safety를 위한 비용으로는 저렴한 가격입니다.

let x = Atomic<Int>(5)
x.mutate { $0 += 1 }

call site란?
프로그래밍에서 함수의 call site는 함수가 불리는 위치를 뜻 한다.

---

Reference

https://www.objc.io/blog/2018/12/18/atomic-variables/
https://iredays.tistory.com/125
https://stormpy.tistory.com/155
https://en.wikipedia.org/wiki/Call_site