클린 코드(Clean Code) - 13장 동시성

Muzi·2023년 1월 24일

독서 클린 코드

Clean Code

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객체는 처리의 추상화다. 스레드는 일정의 추상화다.

Intro

동시성과 깔끔한 코드는 양립하기 어렵다
여러 스레드를 동시에 돌리는 이유, 어려움, 어려움에 대처하고 클린 코드를 작성하는 법들, 동시성을 테스트하는 방법과 문제를 알아본다.

1. 동시성이 필요한 이유

동시성은 결합(coupling)을 없애는 전략이다. 즉, 무엇(what)과 언제(when)을 분리하는 전략이다.

무엇과 언제를 분리하면 어플리케이션 구조와 효율이 극적으로 나아짐
응답시간과, 작업처리량을 개선하려면 동시성 구현 불가피
즉, 병렬 처리가 필요할 때 동시성을 채택

미신, 오해 그리고 타당한 생각

동시성은 항상 성능을 높여준다
-> 여러 스레드 or 여러 프로세서가 대기시간을 공유할 수 있는 경우(대기시간이 아주 길어서)나 동시에 처리할 독립적인 계산이 충분히 많은 경우에만 퍼포먼서를 향상시킨다 but, 이런경우는 드물다
동시성을 구현해도 시스템의 디자인을 변경시키지 않는다
-> 보통 시스템의 구조에 큰 영향을 미친다
WEB or EJB 컨테이너를 사용하면 동시성을 이해할 필요가 없다
-> 컨테이너가 어떻게 동작하는지, 동시 수정하는지, 데드락 등의 문제를 피할 수 있는지 알아야한다
동시성은 퍼포먼스, 코드작성 양쪽 모두에 다소 오버헤드를 유발한다
간단한 문제라도 동시성은 복잡하다
동시성 관련 버그는 재현이 어렵기에 종종 one-off로 판단하기 쉽다
동시성 구현은 보통 근본적인 설계 개편이 필요하다

2. 난관

public class ClassWithThreadingProblem  {
	private int lastIdUsed;

	public int getNextId() {
		return ++lastIdUsed;
	}
}

lastIdUsed를 42로 설정 후, 두 스레드가 해당 인스턴스를 공유하며 getNextId();를 호출하면 만들 수 있는 결과는 총 3가지이다.

한 스레드는 43을 받는다. 다른 스레드는 44를 받는다. lastIdUsed는 44가 된다
한 스레드는 44을 받는다. 다른 스레드는 43을 받는다. lastIdUsed는 44가 된다
한 스레드는 43을 받는다. 다른 스레드는 43를 받는다. lastIdUsed는 43이 된다

동일 필드를 수정하던 두 스레드가 서로 간섭하므로 예상치 못한 결과를 내놓는다

3. 동시성 방어 원칙

동시성 코드가 일으키는 문제로부터 시스템을 방어하는 원칙과 기술

단일 책임 원칙(SRP)

동시성은 복잡성때문에 다른 코드와 분리해야한다

동시성 코드는 독자적인 개발, 변경, 조율 주기가 있다
동시성 코드에는 다른코드에서와 다르고 어려운 독자적인 난관 존재
잘못 구현한 동시성 코드는 여러 방식으로 실패한다. 하나만으로도 어렵

따름 정리 : 자료 범위를 제한하라

자료를 캡슐화하라. 공유 자료를 최대한 줄여라

critical section을 synchronized 키워드로 보호한다
critical section의 수를 줄인다
공유자료를 수정하는 위치가 많을 때 발생할 수 있는 문제점
- 보호할 critical section을 빼먹어서 공유자원을 수정하는 모든 코드를 망가뜨림
- 모든 critical section을 올바로 보호했는지 확인하느라 시간, 노력 소모(DRY위반)
- 찾아내기 힘든 버그가 더욱 찾기 어려워진다

따름 정리 : 자료 사본을 사용하라

공유 자료를 줄이려면 처음부터 공유하지 않는 방법이 제일 좋다
어떤 경우에는 객체를 복사해 읽기 전용으로 사용하는 방법이 가능
각 스레드가 객체를 복사해 사용한 후 한 스레드가 해당 사본에서 결과를 가져오는 방법도 가능
객체를 복사하는 cost 가 공유 자원 동기화 cost 보다 작을 수 있다

따름 정리 : 스레드는 가능한 독립적으로 구현하라

독자적인 스레드로, 가능하면 다른 프로세서에서, 돌려도 괜찮도록 자료를 독립적인 단위로 분할하라

다른 스레드와 자료를 공유하지 않는 스레드를 구현한다
각 스레드는 클라이언트 요청 하나를 처리
모든 정보는 비공유 출처에서 가져오며 로컬 변수에 저장

4. 라이브러리를 이해하라

자바 5이상에서 스레드 구현 시 고려할 점
- 스레드 환경에 안전한 컬렉션을 사용한다
- 서로 무관한 작업 수행 시 executer 프레임워크를 사용한다
- 가능하면 nonblocking 방법을 사용하라
- 일부 클래스 라이브러리는 tread-safe 하지않다

스레드 환경에 안전한 컬렉션 java.util.concurrent

java.util.concurrent패키지가 제공하는 클래스는 다중 스레드 환경에서 사용해도 안전하며, 성능도 좋다
ConcurrentHashMap은 거의 모든 상황에서 HashMap보다 빠르다.
동시 읽기/쓰기를 지원하며, 자주 사용하는 복합 연산을 다중 스레드 상에서 안전하게 만든 메서드로 제공한다

아래는 좀 더 복잡한 동시성 설계를 자원하고자 추가된 클래스

Name	Description
`ReentrantLock`	한 메서드에서 잠그고 다른 메서드에서 푸는 락(lock)
`Semaphore`	전형적인 세마포어다. 개수(count)가 있는 락(lock)
`CountDown Latch`	지정한 수만큼 이벤트가 발생하고 나서야 대기 중인 스레드를 모두 해제하는 락이다. 모든 스레드에게 동시에 공평하게 시작할 기회를 준다

5. 실행 모델을 이해하라

실행 모델에 대해 이야기하기 위해 필요한 기본적인 용어

Name	Description
`한정된 자원 (Bound Resource)`	다중 스레드 환경에서 사용하는 자원. 크기나 숫자가 제한적이다. ex) 데이터베이스 연결, 길이가 일정한 읽기/쓰기 버퍼
`상호 배제 (Mutual Exclusion)`	한 번에 한 스레드만 공유 자료나 공유 자원을 사용할 수 있는 경우를 가리킨다.
`기아 (Starvation)`	스레드가 오래 혹은 영원히 자원을 기다린다. ex) 짧은 스레드에게 우선순위를 준다면, 긴 스레드가 기아 상태에 빠진다
`데드락 (Deadlock)`	스레드가 서로 끝나기를 기다린다. 모든 스레드가 각기 필요한 자원을 다른 스레드가 점유해 어느쪽도 진행하지 못한다
라이브락 (Livelock)	락을 거는 단계에서 각 스레드가 서로를 방해한다. 오래 혹은 영원히 진행하지 못한다

생산자-소비자(Producer-Consumer)

생산자와 소비자 사이에 있는 큐는 bound resource이다

생산자 스레드
- 생산한 작업물을 버퍼 혹은 큐에 넣는다
- 큐에 작업물을 넣고 소비자에게 "큐가 비어있지 않다"는 신호를 보낸다
소비자 스레드
- 큐에 작업물이 하나라도 생길 때까지 기다려야 한다
- 큐에서 작업물을 꺼낸 후 생산자에게 "큐가 가득차 있지 않다"는 신호를 보낸다

둘 다 진행 가능함에도 불구하고 동시에 서로에게서 시그널을 기다릴 가능성이 존재

읽기-쓰기(Readers-Writers)

읽기 스레드(독자)를 위한 주된 정보원으로 공유 자원을 사용하지만, 쓰기 스레드(저자)가 이 공유 자원을 이따금 갱신하는 경우 처리량이 문제가 된다

처리량 문제
- 처리율 강조(독자 우선권)시 읽기 스레드가 계속 되는 경우 쓰기 스레드는 기아 상태에 빠지거나 오래된 정보 쌓임
- 쓰기 스레드 우선권 갖을(저자 우선권)시 처리율 ↓

양쪽 균형을 잡으면서 갱신 문제를 피하는 해법이 필요하다

식사하는 철학자들(Dining Philosophers)

가운데에 스파게티 한 접시가 놓여있는 둥근 식탁에 둘러 앉은 철학자들. 각 철학자들 왼편에는 포크가 놓여있다

각 철학자는 배고프지 않으면 생각하며 시간을 보낸다
배가 고프면 양손에 포크를 쥐고 스파게티를 먹는다 = 우의 철학자 중 한 명이라도 포크를 사용하는 중이라면 먹지 못함
철학자 = 스레드, 포크 = 자원

잘 설계되지 않은 시스템은 데드락, 라이브락, 처리율 저하, 효율성 저하 등을 겪는다

6. 동기화하는 메서드 사이에 존재하는 의존성을 이해하라

자바는 synchronized라는 "메서드 하나를 보호하는 노테이션"을 제공한다. 하지만 한 클래스에 두 개 이상의 synchronized 메서드가 존재하면 문제를 일으킬 수도 있다.

공유된 객체의 두 메서드 이상을 사용하는 것을 피하라

만약 위 추천을 따를 수 없는 상황이라면 아래의 세 방법을 고려하자

/* 문제가 되는 상황 */

public class IntegerIterator implements Iterator<Integer> {
    private Integer nextValue = 0;
    
    public synchronized boolean hasNext() {
        return nextValue < 100000;
    }
    
    public synchronized Integer next() {
        if (nextValue == 100000)
            throw new IteratorPastEndException();
        return nextValue++;
    }
    
    public synchronized Integer getNextValue() {
        return nextValue;
    }
}

// Shared Resource
IntegerIterator iterator = new IntegerIterator();

// Threaded-Code
while(iterator.hasNext()) {
    // nextValue가 99999인 상황에서 두 스레드에서 순차적으로 while(iterator.hasNext())를 호출하게 되면
    // 두 스레드 모두 while문 안으로 진입하게 된다. 이는 예상되지 않은 결과이다.
    int nextValue = iterator.next();
    // do something with nextValue
}

클라이언트 기반 잠금

클라이언트가 첫 메서드를 부르기 이전부터 마지막 메서드를 부른 다음까지 서버를 잠근다 = 공유 객체를 사용하는 코드에서 공유 객체를 잠그는 것
-> 서버를 사용하는 모든 클라이언트 코드에서 lock이 필요하게 되며 이는 유지보수 및 디버깅에 필요한 비용을 상승시킴

// Shared Resource
IntegerIterator iterator = new IntegerIterator();

// Threaded-Code
while (true) {
    int nextValue;
    synchronized (iterator) {
        if (!iterator.hasNext())
            break;
        nextValue = iterator.next();
    }
    doSometingWith(nextValue);
}

서버 기반 잠금

서버에다 '서버를 잠그고 모든 메서드를 호출한 후 잠금을 해제하는' 메서드 구현. 클라이언트가 이 메서드 호출.
-> 공유 객체에 새로운 메서드를 작성하고 잠금이 필요한 동작 전체를 수행

/* Server-Based Locking */
public class IntegerIteratorServerLocked {
    private Integer nextValue = 0;
    
    public synchronized Integer getNextOrNull() {
        if (nextValue < 100000)
            return nextValue++;
        else
            return null;
    }
}

// Shared Resource
IntegerIterator iterator = new IntegerIterator();

// Threaded-Code
while (true) {
    Integer nextValue = iterator.getNextOrNull();
    if (next == null)
        break;
    // do something with nextValue
}

중계된 서버(Adapted Server)

잠금을 수행하는 중계자를 작성
기본적으로 서버 기반 잠금이지만 기존의 서버를 변경할 수 없는 상황에 사용가능
-> 서버 기반 잠금 방식을 사용할 수 없는 경우에 사용하자

/* Adapted Server */

public class ThreadSafeIntegerIterator {
    private IntegerIterator iterator = new IntegerIterator();
    
    public synchronized Integer getNextOrNull() {
        if(iterator.hasNext())
            return iterator.next();
        return null;
    }
}

// Threaded-Code는 위 서버 기반 잠금 코드와 동일

7. 동기화하는 부분을 작게 만들어라

Synchronized로 수행되는 잠금은 딜레이와 오버헤드를 만들기 때문에 "비싼 수행"으로 간주되며 가능한 한 작게 만들어야 한다. 반면 critical section은 꼭 보호되어야 한다.

동기화된 영역은 최대한 작게 만들어라

8. 올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다

영구적으로 돌아가는 시스템 구현 ≠ 잠시 돌다가 종료하는 시스템 구현
깔끔하게 종료하는 시스템 구현은 어렵다 ⇒ 데드락 위험

개발 초기에 시스템 종료에 대해 고민하고 구현하라. 이 작업은 생각보다 오래 걸릴 것이다. 기존에 구현한 알고리즘을 리뷰하는 것도 필요

9. 스레드 코드 테스트하기

문제를 발생시킬 만한 테스트를 작성하고 여러 프로그램 설정과 시스템 설정, 부하 하에서 자주 수행하라. 테스트가 한번이라도 실패한다면 원인을 분석하라.

한번 더 테스트를 실행해 성공했다고 해서 이전의 실패를 무시하지 마라

말이 안 되는 실패는 잠정적인 스레드 문제로 취급하라

멀티 스레드 코드는 일반적으로 발생할 리 없어 보이는 문제를 발생시킨다
개발자들은 이러한 문제들을 우주선(宇宙線), 하드웨어 버그, 혹은 이러한 류의 one-off로 치부한다
이러한 one-off들이 무시될 수록 더 많은 코드들이 이미 문제가 있는 시스템에 추가되게 될 뿐

시스템 오작동을 one-off로 판단해 무시하지 말라

다중 스레드를 고려하지 않은 순차 코드부터 제대로 돌게 만들자

스레드 밖에서 잘 동작하는 코드를 먼저 작성한다
스레드가 호출하는 POJO를 만든다 = POJO는 스레드를 모르므로 스레드 밖에서 테스트 가능

스레드 관련 버그와 그렇지 않은 버그를 동시에 잡으려 하지 마라. 작성한 코드가 스레드 밖에서 잘 작동하는지 먼저 체크하라

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

동시성 지원 코드를 아래와 같이 여러 설정으로 실행될 수 있게 만들어라

단일 스레드, 여러 스레드 환경에서 동작하게 구현
실제 사용될 객체 혹은 Test Double과 상호작용할 수 있는 스레드 코드로 구현
수행 속도를 조절할 수 있는 Test Double을 구현
지정된 횟수만큼 반복 수행할 수 있게 구현

다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 상황에 맞게 조율할 수 있게 작성하라

적절한 스레드 개수를 조율하기 쉽게 코드를 구현한다
프로그램이 돌아가는 도중에 스레드 개수를 변경하는 방법도 고려
프로그램 처리율과 효율에 따라 스스로 스레드 개수를 조율하는 코드도 고민

프로세서 수보다 많은 스레드를 돌려보라

작업 전환이 잦을수록 빠뜨린 critical section이나 dead lock을 찾을 확률이 높다

결론

다중 스레드 코드는 올바르게 구현하기 어렵다. 그렇기에 각별히 주의해서 작성해야한다
최우선적으로 SRP를 숙지하자.
- POJO 사용으로 스레드를 아는 코드와 모르는 코드를 분리한다
- 스레드 코드 테스트 시에는 스레드만 테스트한다(즉, 스레드는 최대한 집약되고 작아야 함.)
동시성 오류를 일으킬 잠정적인 원인을 철저히 파악한다
사용하는 라이브러리와 기본 알고리즘을 이해하자.
보호할 코드 영역을 찾아내는 방법, 특정 코드 영역을 잠그는 방법을 이해하자.

Muzi

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