동시성 처리 모델 - 스레드 잠금장치, 함수형 프로그래밍

bp.chys·2021년 6월 2일

TIL(Today I Learned)

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동시성 프로그램은 여러 사건을 한꺼번에 처리 해야하는 문제 관점으로 볼 수 있고,
병렬성은 프로그램 내 각기 다른 부분을 병렬로 실행함으로써 처리 속도를 높이는 해법적인 관점으로 볼 수 있다.

동시성과 병렬성이 혼동되는 이유는, 전통적으로 사용하는 스레드와 잠금장치 방식에서는 병렬성을 직접 지원하지 않기 때문이다. 이 방법으로 멀티코어를 활용하는 방법은 동시적인 프로그램을 작성하여 병렬로 동작하는 하드웨어에서 실행하는 것이다.

스레드는 공유메모리를 사용해서 다른 스레드와 소통한다.
동기화처리를 통해 하나의 메서드는 하나의 스레드에서만 접근 가능하도록 제한할 수 있다.
- 동기화 처리는 뮤텍스, 모니터, 임계영역 등 내재된 잠금장치를 사용한다.
그러나 모든 메서드가 동기화되면 대부분의 스레드는 블락된 상태로 시간을 보내게 될 것이다.
이보다도 심각한 문제는 하나의 스레드가 두 개 이상의 잠금장치를 획득하여 데드락 상태가 될 수 있다는 점이다.
잠금 장치를 가진 채로 외부 메서드를 호출하게되면 데드락의 위험성을 초래한다.
잠금장치는 최대한 짧게 보유해야 한다.

자바에서 내재된 잠금장치는 syncronized 블록이다.
- 데드락에 빠지면 스레드를 원상복귀 시킬 방법이 없다.
- 강제로 중단시키는 타임아웃 기능이 없다.
ReentrantLock을 사용하여 해결
- lockInterruptibly()를 통해 데드락 상태에 빠진 스레드를 가로챌 수 있다.
- 잠금장치를 기다리는 상태에서 타임아웃 제한을 걸 수 있다.
원자변수 (java.util.concurrent.atomic)
- 필요한 경우에 잠금장치를 획득하는 것을 잊지 않는다.
- 잠금장치가 하나도 개입되지 않기 때문에, 원자 변수에 대한 데드락이 불가능하다.
- 잠금장치나 블로킹에 기대지 않고 동기화를 구현하는 논블로킹, 락프리 알고리즘의 기초를 제공한다.

스레드를 생성할 때, 무작정 생성하면 서버가 다운될 수 있으므로 스레드 풀을 사용해서 재사용하는 것이 효율적이다.
- 스레드 풀의 크기는 계산을 집중적으로 한다면 코어 수와 동일한 수의 스레드를 풀에 담고, IO 중심인 경우 코어보다 많은 수를 사용하는 편이 좋다.
생산자/소비자 패턴을 이용해서 병렬 처리를 기대해 볼 수 있다.
이때 concurrent 패키지의 블로킹 큐를 사용해서 작업을 전달한다.
- 블로킹 큐를 사용하는 이유는 생산자와 소비자의 작업 속도를 얼추 맞추어 큐가 메모리 용량을 넘지 않게 만들기 위해서이다.
보통 소비자의 속도가 더 느리게 되는데 여러개의 소비자를 만들어서 더 많은 병렬처리를 이뤄내면 전체 속도를 크게 향상시킬 수 있다.
이때 결과를 저장하는 Map이 동시성을 지원하지 않으면 소비자를 늘릴 때 스레드 경합때문에 오히려 시간이 더 걸릴 수 있다. 따라서 동시성을 지원하는 concurrentHashMap을 사용해야 한다.

함수는 계산 순서가 독립적이다. (결정적 순서)
- 함수는 참조 투명성을 갖는다. 이는 프로그램 전체 동작을 변경하지 않으면서 함수가 실행되는 순서를 안전하게 바꿀수 있또록 한다.
함수형 언어는 선언적인 느낌이 강해서 연산 과정이나 순서보다는 결과에 집중한다.
이렇게 계산 순서를 바꿀 수 있기 때문에 함수 코드의 병렬화가 쉽다.
각각의 계산은 future를 가지고 다른 스레드에서 수행된다.

7가지 동시성 모델 by 폴 부처

하루에 한걸음씩, 꾸준히