13장. 동시성

동시성과 깔끔한 코드는 양립하기 아주 어렵다. 스레드를 하나만 실행하는 코드는 짜기 쉬우나, 시스템이 부하를 받기도 쉽다.
이 장에서는 여러 스레드를 동시에 돌리는 이유와 어려움, 이러한 어려움에 대처하고 깨끗한 코드를 작성하는 방법, 동시성을 테스트하는 방법과 문제점을 논한다.

동시성이 필요한 이유

동시성은 무엇과 언제를 분리하는, 결합을 없애는 전략이다.

다음은 반드시 동시성이 필요한 상황이다.

• 구조적 관점: 프로그램은 거대한 루프 하나가 아닌, 작은 협력 프로그램 여럿으로 보이게 되어 시스템을 이해하기 쉽고, 문제를 분리하기도 쉽다.
• 응답시간과 작업처리량 개선의 경우 동시성 구현 필요
  ex) 웹 정보 수집기 -> 한번에 한 사이트만 방문하는 경우
• 정보를 대량으로 분석하는 시스템

미신과 오해

• 동시성은 항상 성능을 높여준다. (X)
  동시성은 대기시간이 아주 길어 여러 스레드가 프로세서를 공유할 수 있거나, 여러 프로세서가 동시에 처리할 독립적인 계산이 충분히 많은 경우에만 성능이 높아진다.
• 동시성을 구현해도 설계는 변하지 않는다. (X)
  단일 스레드 시스템과 다중 스레드 시스템은 설계가 판이하게 다르다. 일반적으로 무엇과 언제를 분리하면 시스템 구조가 크게 달라진다.
• 웹 또는 EJB 컨테이너를 사용하면 동시성을 이해할 필요가 없다. (X)
  컨테이너가 어떻게 동작하는지, 어떻게 동시수정, 데드락 등과 같은 문제를 피할 수 있는지를 알아야만 한다.
• 동시성은 다소 부하를 유발한다. (O)
  성능 측면에서 부하가 걸리며, 코드도 더 짜야한다.
• 동시성은 복잡하다. (O)
• 일반적으로 동시성 버그는 재현하기 어렵다. (O)
  따라서 진짜 결함으로 간주되지 않고 일회성 문제로 여겨 무시하기 쉽다.
• 동시성을 구현하려면 흔히 근본적인 설계 전략을 재고해야 한다. (O)

난관

동시성을 구현하기 어려운 이유는 무엇일까? 다음 예시에서 알아보자.

public class X {
	private int lastIdUsed;
    
    public int getNextId() {
    	return ++lastIdUsed;
    }
}

위 코드에서 인스턴스 X를 생성하고 lastIdUsed필드를 42로 설정한 다음, 두 스레드가 해당 인스턴스를 공유한다. 이제 두 스레드가 getNextId();를 호출하는 경우 결과는 다음 셋 중 하나이다.

• 한 스레드는 43을 받는다. 다른 스레드는 44를 받는다. lastIdUsed는 44가 된다.
• 한 스레드는 44을 받는다. 다른 스레드는 43를 받는다. lastIdUsed는 44가 된다.
• 한 스레드는 43을 받는다. 다른 스레드는 43를 받는다. lastIdUsed는 43가 된다.
  두 스레드가 같은 변수를 동시에 참조하는 경우 자바 코드 한 줄을 거쳐가는 경로는 수없이 많은데, 그 중 일부 경로가 세 번째와 같은 잘못된 결과를 내놓을 수 있다.

동시성 방어 원칙

동시성 코드가 일으키는 문제로부터 시스템을 방어하는 원칙과 기술을 소개한다.

단일 책임 원칙 Single Responsibility Principle, SRP

주어진 메서드/클래스/컴포넌트를 변경할 이유는 하나여야 한다.
동시성 복잡성 하나만으로도 따로 분리할 이유가 충분하다. 동시성 관련 코드는 다른 코드와 분리해야 한다.

동시성 구현 시 고려할 점

• 동시성 코드는 독자적인 개발, 변경, 조율 주기가 있다.
• 동시성 코드에는 독자적인 난관이 있다. 다른 코드에서 겪는 난관과 다르며 훨씬 어렵다.
• 잘못 구현한 동시성 코드는 별의별 방식으로 실패한다. 주변에 있는 다른 코드가 발목을 잡지 않더라도 동시성 하나만으로도 충분히 어렵다.
  동시성 코드는 다른 코드와 분리하라

따름 정리: 자료 범위를 제한하라

앞선 예시처럼, 객체 하나를 공유한 후 동일 필드를 수정하던 두 스레드가 서로 간섭하므로 예상치 못한 결과를 내놓는다. 이러한 문제의 해결 방안으로 공유 객체를 사용하는 코드 내 임계영역을 synchronized 키워드로 보호하라고 권장한다.**

공유 자료를 수정하는 위치가 많은 경우 발생할 수 있는 가능성

• 보호할 임계영역을 빼먹는다. 그래서 공유자료를 수정하는 모든 코드를 망가뜨린다.
• 모든 임계영역을 올바르게 보호했는지 확인하느라 똑같은 노력과 수고를 반복한다.
• 그렇지않아도 찾아내기 어려운 버그가 더욱 찾기 어려워진다.
  자료를 캡슐화 하라. 공유 자료를 최대한 줄여라.

따름 정리: 자료 사본을 사용하라

공유 자료를 줄이려면 처음부터 공유하지 않는 방법이 제일 좋다. 객체를 복사해 읽기 전용으로 사용하거나 각 스레드가 객체를 복사해 사용한 후 한 스레드가 해당 사본에서 결과를 가져오는 방법도 가능하다.

따름 정리: 스레드는 가능한 독립적으로 구현하라

다른 스레드와 자료를 공유하지 않는다. 각 스레드는 클라이언트 욫청 하나를 처리한다. 모든 정보는 비공유 출처에서 가져오며 로컬 변수에 저장한다. 그러면 다른 스레드와 동기화 할 필요가 없어, 독립적으로 돌아간다.
독자적인 스레드로, 가능하면 다른 프로세서에서, 돌려도 괜찮도록 자료를 독립적인 단위로 분할하라

라이브러리를 이해하라

• 스레드 환경에 안전한 컬렉션을 사용한다. 자바 5부터 제공한다.
• 서로 무관한 작업을 수행할 때는 executor 프레임워크를 사용한다.
• 가능하다면 스레드가 차단되지 않는 방법을 사용한다.
• 일부 클래스 라이브러리는 스레드에 안전하지 못하다.

스레드 환경에 안전한 컬렉션

java.util.concurrent 패키지가 제공하는 클래스는 다중 스레드 환경에서 사용해도 안전하며 성능도 좋다. 실제로 ConcurrentHashMap은 거의 모든 상황에서 HashMap보다 빠르다. 동시 읽기/쓰기를 지원하며, 보통 다중 스레드 환경에서 문제가 생기는 자주 사용하는 복합 연산을 다중 스레드 상에서 안전하게 만든 메서드로 제공한다.
언어가 제공하는 클래스를 검토하라. 자바에서는 java.util.concurrent, java.util.concurrent.atomic, java.util.concurrent.locks 를 익혀라

실행 모델을 이해하라

다중 스레드 애플리케이션을 분류하는 방식은 여러 가지이다.

용어명	설명
한정된 자원 (Bound Resource)	다중 스레드 환경에서 사용하는 자원으로, 크기난 숫자가 제한적이다. 데이터베이스 연결, 길이가 일정한 읽기/쓰기 버프 등이 예다.
상호 배제 (Mutual Exclusion)	한 번에 한 스레드만 공유 자료나 공유 자원을 사용할 수 있는 경우
기아 (Starvation)	한 스레드나 여러 스레드가 굉장히 오랫동안 혹은 영원히 자원을 기다린다. 예를 들어, 항상 짧은 스레드에게 우선순위를 준다면, 짧은 스레드가 지속적으로 이어질 경우, 긴 스레드가 기아 상태에 빠진다.
데드락 (Deadlock)	여러 스레드가 서로 끝나기를 기다린다. 모든 스레드가 각기 필요한 자원을 다른 ㅅ그레드가 점유하는 바람에 어느 쪽도 더이상 진행하지 못한다.
라이브락 (Livelock)	락을 거는 단계에서 각 스레드가 서로를 방해한다. 스레드는 계속해서 진행하려 하지만, 공명(resonance)으로 인해 굉장히 오랫동안 혹은 영원히 진행하지 못한다.

다음 기본 알고리즘과 각 해법을 이해하라.

생산자-소비자

하나 이상 생산자 스레드가 정보를 생성해 버퍼나 대기열에 넣는다. 하나 이상 소비자 스레드가 대기열에서 정보를 가져와 사용한다. 생산자 스레드와 소비자 스레드가 사용하는 대기열은 한정된 자원이다. 생산자 스레드는 대기열에 빈 공간이 있어야 정보를 채우므로, 빈 공간이 생길 때까지 기다린다. 소비자 스레드는 대기열에 정보가 있어야 가져오므로, 정보가 채워질 때 까지 기다린다. 서로 시그널을 보내며 대기열을 사용하는데, 잘못하면 생산자와 소비자 스레드 둘 다 진행 가능함에도 불구하고 동시에 서로에게서 시그널을 기다릴 가능성이 존재한다.

읽기-쓰기

읽기 스레드를 위한 주된 정보원으로 공유 자원을 사용하지만, 쓰기 스레드가 이 공유자원을 이따금 갱신하는 경우, 처리율이 문제의 핵심이 된다. 처리율을 강조하면 기아 현상이 생기거나 오래된 정보가 쌓이고, 갱신을 허용하면 처리율에 영향을 미친다. 양쪽 균형을 잡으면서 동시 갱신 문제를 피하는 해법이 필요하다.

식사하는 철학자들

둥근 식탁에 철학자 한 무리가 둘러앉았다. 각 철학자의 왼쪽에는 포크, 식탁 가운데는 스파게티 한 접시가 있다. 철학자들은 배가 고프지 않으면 생각하며 시간을 보내고, 배가 고프면 양손에 포크를 쥐고 먹는다. 양손에 포크를 쥐지 않으면 먹지 못한다. 좌측 또는 우측 철학자가 사용중인 경우 포크가 나올 때 까지 기다려야 하며, 먹고 나면 포크를 내려놓고 배가 고플 때까지 다시 생각에 잠긴다.
여기서 철학자를 스레드로, 포크를 자원으로 바꿔 생각하면 된다. 주의해서 설계하지 않으면 데드락, 라이브락, 처리율 저하, 효율성 저하 등을 겪는다.

동기화하는 메서드 사이에 존재하는 의존성을 이해하라

공유 객체 하나에는 메서드 하나만 사용하라.
공유 객체 하나에 여러 메서드가 필요한 경우, 다음 세 가지 방법을 고려한다.

• 클라이언트에서 잠금 : 클라이언트에서 첫 번째 메서드를 호출하기 전 서버를 잠근다. 마지막 메서드를 호출할 때까지 잠금을 유지한다.
• 서버에서 잠금 : 서버에 서버를 잠그고 모든 메서드를 호출한 후 잠금을 해제하는 메서드를 구현한다. 클라이언트는 이 메서드를 호출한다.
• 연결서버 : 잠금을 수행하는 중간 단계를 생성한다. '서버에서 잠금'방식과 유사하지만 원래 서버는 변경하지 않는다.

동기화하는 부분을 작게 만들어라

동기화하는 부분을 최대한 작게 만들어라.
자바에서 synchronized 키워드를 사용하면 락을 설정한다. 같은 락으로 감싼 모든 코드 영역은 한 번에 한 스레드만 실행이 가능하다. 락은 스레드를 지연시키고 부하를 가중시키므로 여기저기서 synchronized를 남발하는 코드는 바람직하지 않다. 반면, 임계영역은 반드시 보호해야 한다. 따라서, 코드를 짤 때는 임계영역 수를 최대한 줄여야 한다.

올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다

영구적으로 돌아가는 시스템을 구현하는 방법과 잠시 둘다 깔끔하게 종료하는 시스템을 구현하는 방법은 다르다. 깔끔하게 종료하는 코드는 올바로 구현하기 어렵다. 가장 흔히 발생하는 문제가 데드락이다. 즉, 스레드가 절대 오지 않을 시그널을 기다린다.
종료 코드를 개발 초기부터 고민하고 동작하게 초기부터 구현하라. 생각보다 어려우므로 이미 나온 알고리즘을 검토하라.

스레드 코드 테스트하기

문제를 노출하는 테스트 케이스를 작성하라. 프로그램 설정과 시스템 설정과 부하를 바꿔가며 자주 돌려라. 테스트가 실패하면 원인을 추적하라. 다시 돌렸더니 통과하더라는 이유로 그냥 넘어가면 절대로 안된다.
고려할 사항이 아주 많다는 뜻이다. 아래 몇 가지 구체적인 지침을 제시한다.

말이 안되는 실패는 잠정적인 스레드 문제로 취급하라.

시스템 실패를 '일회성'이라 치부하지 마라
다중 스레드 코드는 때때로 말이 안되는 오류를 일으킨다. 스레드 코드에 잠입한 버그는 실패를 재현하기가 아주 어려워 일회성 문제로 치부하고 무시한다. 일회성 문제를 계속 무시한다면 잘못된 코드 위에 코드가 계속 쌓인다.

다중 스레드를 고려하지 순차 코드부터 제대로 돌게 만들자.

스레드 환경 밖에서 생기는 버그와 스레드 환경에서 생기는 버그를 동시에 디버깅 하지 마라. 먼저 스레드 환경 밖에서 코드를 올바로 돌려라.

다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 다양한 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 있도록 스레드 코드를 구현하라.

다중 스레드를 쓰는 코드를 다양한 설정으로 실행하기 쉽게 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.
  다양한 설정에서 실행할 목적으로 다른 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 있게 코드를 구현하라

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 스와핑할때도 문제가 발생한다. 스와핑을 일으키려면 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌린다. 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.
처음부터 그리고 자주 모든 목표 플랫폼에서 코드를 돌려라.

코드에 보조 코드를 넣어 돌려라. 강제로 실패를 일으키게 해보라.

흔히 스레드 코드는 오류를 찾기가 쉽지 않다. 간단한 테스트로는 버그가 드러나지 않는다.
스레드 버그가 산발적, 우발적, 재현이 어려운 이유는 코드가 실행되는 수천가지 경로 중 아주 소수만 실패하기 때문이다. 즉, 실패하는 경로가 실행될 확률은 극도로 저조하다.
이렇게 드물게 발생하는 오류를 좀 더 자주 일으키기 위해 보조 코드를 추가해 코드가 실행되는 순서를 바꿔준다.
각 메서드는 스레드가 실행되는 순서에 영향을 미친다. 가능한 초반, 가능한 자주 실패하는 편이 좋다.
코드에 보조코드를 추가하는 방법은 두 가지이다.

• 직접 구현하기
  코드에 직접 wait(), sleep(), yield(), priority() 함수를 추가한다. 특별히 까다로운 코드를 테스트할 때 적합하다. 다만 이 방법에는 다음과 같은 문제가 있다.

  • 보조 코드를 삽입할 적정 위치 직접 찾아야 함
  • 어떤 함수를 어디서 호출해야 적당한 지 어떻게 알까?
  • 배포 환경에 보조 코드를 그대로 남겨두면 프로그램 성능 하향
  • 무작위적. 오류가 드러나지 않을 확률이 더 높다.

• 자동화
  보조 코드를 자동으로 추가하려면 AOF, CGLIB, ASM 등과 같은 도구를 사용한다.
  흔들기 기법을 사용해 오류를 찾아내라. 코드를 흔드는 이유는 스레드를 매번 다른 순서로 실행하기 위해서다. 좋은 테스트 케이스와 흔들기 기법은 오류가 드러날 확률을 크게 높여준다.

결론

다중 스레드 코드는 올바로 구현하기 어렵다. 다중 스레드 코드를 작성한다면 각별히 깨끗하게 코드를 짜야한다.

• SRP를 준수한다. 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.
• 스레드 코드는 많은 플랫폼에서 많은 설정으로 반복해서 계속 테스트해야 한다.
• 스레드 코드는 출시 전까지 최대한 오랫동안 돌려봐야 한다.