Grand Central Dispatch

최완식·2022년 2월 13일
DispatchGroupDispatchQueueDispatchSourceDispatchWorkItemGCDGrand Central DispatchQoSQuality of Serviceconcurrentconcurrent programmingdispatch queueserial
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Concurrent Programming

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이전 글에서 동시성에 대해서 알아보았다. 하지만 iOS에서는 Thread를 직접 생성해서 작업하지 않는다. 그러면 어떻게 동시성 프로그래밍을 가능하게 할까? 그 답인 GCD에 대해서 알아보자. 시작해보자.

해당 글은 사내 발표와 추가 정보를 기반으로 작성하였습니다.

Grand Central Dispatch(CGD)

Apple이 개발한 기술로, 멀티 코어 프로세스 환경에서의 애플리케이션 지원을 최적화하기 위해서 개발되었다.

  • low level C based API
  • 스레드 관리의 책임을 시스템으로 이동
  • 시스템이 필요한 시스템을 만들고, 해당 스레드에서 실행되도록 작업을 예약하는 방식으로 사용된다.

여기서 시스템이 관리하는 Queue가 있는데, 이걸 Dispatch Queue라 한다. 이 Queue에 하고 싶은 작업을 정의해서 여기에 추가하기만 하면 된다.

Dispatch Queue

  • 큐에 작업을 제출하는 구조
    • FIFO 구조, 추가된 순서대로 작업이 시작됨
  • 작업은 함수 또는 Block(clousure in swift)로 표현한다.
  • Dispatch Queue에 제출된 작업은 시스템에서 관리하는 스레드 풀에서 실행된다.
  • 작업을 순차적으로 또는 동시에 실행이 가능하다
    • 이 부분은 위의 면접관 예시에서, 줄 자체를 한개로만 세울 것인지, 여러줄로 세울 것인지에 대응되는 부분이다.
    • Serial
      • 작업을 순차적으로 처리하고 싶은 경우
    • Concurrent Dispatch Queue
      • 동시에 실행하고 싶은 경우
  • 작업을 동기적으로 혹은 비동기적으로 스케쥴링할 수 있다.
    • 동기적으로 스케쥴링 한 경우, 해당 작업이 실행을 마칠 때가지 코드대기
    • 비동기적으로 스케쥴링 한 경우, 해당 작업이 실행 중에도 코드 실행

Serial Dispatch Queue

  • 큐에 작업이 추가된 순서로 한 번에 하나의 작업만 실행
  • 이전 작업이 완료될 때까지 새 작업을 시작하지 않고 대기
  • 만약 두 개 이상의 Serial Queue가 있다면, 최대 2개의 작업을 동시에 실행할 수도 있음
    • 물리적 의미
    • 하드웨어 코어수에 따라 병렬 수행 제한이 있을 수 있음

생성 방법으로는 2개가 있다. 바로 main queue를 사용하거나, custom queue를 사용하거나.

  • Main Queue
    • DispatchQueue.main
  • Custom Queue
    • DispatchQueue(label: "customSerial")

여기서 해당 Queue를 동기적으로, 비동기적으로 수행하도록 옵션을 걸 수 있다.

Serial Sync Dispatch Queue

let queue = DispatchQueue(label: "SerialSyncQueue")

queue.sync {
    print("task 1")
}
queue.sync {
    print("task 2")
}
queue.sync {
    print("task 3")
}
print("Done!")

/*
Result
task 1
task 2
task 3
Done
*/
  • queue에 들어간 작업을 우선적으로 처리하면서 동작을 끝나길 기다리기 때문에 호출 순서가 단방향이다.

Serial Async Dispatch Queue

let queue = DispatchQueue.main

queue.async {
    print("task 1")
}
queue.async {
    print("task 2")
}
queue.async {
    print("task 3")
}
print("Done???")

/*
Done??
Result
task 1
task 2
task 3
*/
  • 해당 코드가 실행되는 main thread에 작업을 비동기적으로 추가하여, 현재 코드를 읽는 작업 뒤에 스케쥴링이 되도록 만들었다.
    • Out <- 코드 읽기 task - task 1 - task 2 - task 3 <- In
  • 만약 custom serial queue로 한다면 병렬적으로 작업이 실행되기 때문에 상황에 따라 결과가 다르다.
  • async로 설정한 경우, 해당 블락을 실행하지 않고 제어권을 넘겨주게 된다.
  • 그래서 라인을 모두 읽고 해당 블락을 순차적으로 실행시켜 위와 같은 결과가 나온다.

async 외에도 asyncAfter 메서드도 있다.

  • Dispatch Time
    DispatchQueue.main.asyncAfter(deadline: .now() + 2.0, execute: {
    print("Executes after 2 seconds")
})
    • 나노초 정밀도로 시스템 Clock에 상대적인 시점
  • Dispatch Wall Time
    DispatchQueue.main.asyncAfter(wallDeadline: .now() + 2.0, execute: {
    print("Executes after 2 seconds")
})
    • 마이크로초 정밀도로 Wall Clock에 절대적인 시점
    • 5분 타이머 걸고, system 시간을 5분뒤로 설정해버리면 바로 타이머 작동

Concurrent Dispatch Queue

  • 하나 이상의 작업을 동시에 실행 (작업이 물리적 스레드로 순차적으로 나가는 시간은 있음)
  • 하지만 시작은 큐에 추가된 순서로 시작
  • 작업이 완료되지 않았더라도 Dequeue한다. 물리적 코어가 남아있을 경우, 앞 작업을 1번 코어에, 그 뒤 작업은 2번 코어에 넘기면 되기 때문이다.
  • 특정 시점에서 실행되는 물리적 작업 수는 가변적이고 시스템 환경에 따라 다름

생성 방법은 역시 2개가 있다.

  • Global Queue
    • DispatchQueue.global()
  • Custom Queue
    • DispatchQueue(label: "CustomConcurrentQueue", attributes: .concurrent)

Concurrent Sync Dispatch Queue

let queue = DispatchQueue.global()

queue.sync {
    print("task 1")
}
queue.sync {
    print("task 2")
}
queue.sync {
    print("task 3")
}
print("Done!")

/*
Result
task 1
task 2
task 3
Done
*/

concurrent queue로 작업들이 들어가게 되고, concurrent queue에 sync로 작업이 들어갔기 때문에 각각의 task가 서로 다른 물리적 코어에도 작동하더라도(우연히 같은 코어일수도 있음) 각 결과를 받은 후에 동작한다.

Concurrent Async Dispatch Queue

let queue = DispatchQueue.global()

queue.async {
    print("task 1")
}
queue.async {
    print("task 2")
}
queue.async {
    print("task 3")
}
print("Done???")

/*
Result
task 2
task 1
task 3
Done???
*/

현재 결과는 이렇지만, 각 task가 queue에 들어간 후, 시스템 환경과 현재 코어 활성도에 따라 동작하는 순서가 달라진다. 즉 결과를 보장받을 수 없다.

사용 패턴

  • Serial Queue(async) + Main Queue

    let queue = DispatchQueue(label: "serial.queue")

queue.async {
    // Do Some Long-Running Task

    DispatchQueue.main.async {
        // Update UI
    }
}

  • Concurrent Queue(async) + Main Queue

    DispathQueue.global().async {
    // Do Some Long-Running Task

    DispatchQueue.main.async {
        // Update UI
    }
}

Quality of Service (QoS)

Apple에서 제공하는 작업의 명시적인 분류

이 분류는 작업 스케쥴링 시, 작업의 타입에 따라 우선순위를 다르게 하기 위함이다. 아래는 우선 순위에 따른 분류이다. 우선순위가 높을 수록 더 많은 리소스로 더 빠르게 수행한다. 지정은 Queue를 만들 때, 파라미터로 입력 가능하다.

  • User Interactive
    • 사용자와 상호작용이 필요할 때 사용
    • animations
  • User Initiated
    • 사용자가 무언가 작업을 하여 즉각적인 결과가 필요할 때 사용
  • Utility
    • 데이터 다운로드와 같이 작업 완료에 오랜시간이 걸리는 경우
    • 대부분의 작업에서 사용
  • Background
    • 동기화 및 백업과 같이 사용자가 볼 수 없는 작업을 할 때 사용
    • 아이폰은 저전력 모드로 설정한 경우, 작업 실행이 되지 않을 수도 있다.

QoS를 지정하지 않으면 default로 지정되는데, default는 User Initiated와 Utility 사이에 존재하는 중요도를 가진다.

Dispatch Work Item

DispatchQueue 또는 DispatchGroup 안에서 수행할 작업을 캡슐화 함

item내에서 실행가능하고, dispatchQueue로 넘겨서 실행이 가능하다.

let item = DispatchWorkItem(block: {
    print("task?")
})

item.perform() // 현재 스레드에서 작업을 동기적으로 수행

item내에서 perform으로 수행하는 경우, 동기적으로 수행하기 때문에 작업 결과를 기다려야 한다.

let item = DispatchWorkItem(qos: .utility, block: {
    print("task")
})

DispatchQueue.global().async(execute: item)

혹은 이렇게 Queue안에 item 자체를 넣어서 실행도 가능하다. 이경우는 Queue를 지정하기 때문에 결과를 기다리지 않아도 된다.

wait

let item = DispatchWorkItem(block: {
    for _ in 0..<100 {
        print("task")
    }
})

DispatchQueue.global().async(execute: item)

item.wait()
// 작업 끝날 때까지 기다림
print("Done!")

작업을 global queue로 넘기고 제어권을 넘겨받은 상태에서도 넘긴 작업 (다른 스레드에서 작업중)을 기다릴 수 있다. wait 메서드를 사용하면 된다.

notify

let item = DispatchWorkItem(block: {
    for _ in 0..<100 {
        print("task")
    }
})

DispatchQueue.global().async(execute: item)

item.notify(queue: .main, execute: {
    print("Done!")
})

print("task is running...")

notify메서드를 사용하면, 다른 스레드에서 동작하고 있는 작업이 끝난 경우, 설정해둔 작업을 실행할 수 있다.

cancel

let item = DispatchWorkItem(block: {
    for _ in 0..<100 {
        print("task")
    }
})

item.cancel()
print(item.isCancelled) // true

DispatchQueue.global().async(execute: item) // 동작하지 않음

아직 작업이 수행되지 않은 경우 cancel 메서드를 사용하여 작업을 취소할 수 있다. 취소된 경우 스케쥴링 되어도 동작하지 않는다.

Dispatch Group

하나 이상의 작업 실행이 완료될 때까지 스레드를 차단하는 방법

한 화면을 구성하기 위해 여러 API 호출, Model로 파싱해야 하는 경우, 하나의 작업 그룹으로 묶는 것이 좋다. 이런 경우 사용하면 좋다. 여러 작업은 그룹에 연결하고, 비동기 실행을 위해서 예약하는 방식으로 사용할 수 있다. 모든 작업이 끝난 후, Completion Handler를 통해 완료 동작을 실행할 수 있다.

Enter/Leave

let group = DispatchGroup()
group.enter()
group.leave()

여러 작업이 있을 때, 시작하는 시점에서 enter, 작업이 끝났을 때 leave를 해주게 되면, enter 아래의 코드 블럭을 하나로 묶을 수 있다. 한 쌍으로 움직인다. enter할 경우 들어간 task count +1하고 leave할 때 -1 한다.

Wait (Synchronous)

let group = DispatchGroup()

group.enter()
DispatchQueue.global().async {
    for _ in 0..<100 {
        // some code
    }
    print("task 1 is done")
    group.leave()
}

group.enter()
DispatchQueue.global().async {
    for _ in 0..<100 {
        // some code
    }
    print("task 2 is done")
    group.leave()
}

group.wait()
print("all tasks are done")

dispatchGroup에 wait를 적어주게 되면, enter로 들어간 task들의 작업이 모두 끝난 시점에 다음 라인으로 넘어간다.

Notify (Asynchronous)

let group = DispatchGroup()

group.enter()
DispatchQueue.global().async {
    for _ in 0..<100 {
        // some code
    }
    print("task 1 is done")
    group.leave()
}

group.enter()
DispatchQueue.global().async {
    for _ in 0..<100 {
        // some code
    }
    print("task 2 is done")
    group.leave()
}

group.notify(queue: .main, execute: {
    print("All tasks are done.")
})
print("passed the notify code line.)

notify를 사용하게 되면, enter로 들어간 task들의 결과가 다 작동할 때 코드 블락이 실행되나, wait처럼 동기적으로 대기하지 않는다. 비동기로 코드 블락이 실행된다.

Without Enter/leave

let group = DispatchGroup()

DispatchQueue.global().async(group: group, execute: {
    for _ in 0..<100 {
        // some code
    }
    print("task 1 is done")
})

DispatchQueue.global().async(group: group, execute: {
    for _ in 0..<100 {
        // some code
    }
    print("task 2 is done")
})

group.notify(queue: .main, execute: {
    print("All tasks are done.")
})
print("passed the notify code line.)

파라미터에 group 자체를 넘김으로써 같은 효과를 낼 수 있다. 보다 코드가 깔끔하다.

Dispatch Source

시스템 이벤트를 비동기적으로 처리하기 위한 C기반 메커니즘

  • 모니터링 할 이벤트와 해당 이벤트를 처리하는 데 사용할 DispatchQueue 및 코드를 지정한다.
  • 이벤트 도착 시 지정한 큐에서 이벤트 핸들러를 실행한다.

무슨 말일까..? 읽어서는 알 수가 없다.

  • Timer Dispatch Sources
    • 주기적인 알림을 생성
  • Signal Dispatch Sources
    • UNIX Signal이 도착하면 알림
  • Memory pressure sources
    • 메모리 사용 상태가 변경될 때 알림
  • Descriptor sources
    • 파일 및 소켓 기반 작업 알림
  • Process dispatch sources
    • 프로세스 관련 이벤트 알림
  • Mach port dispatch sources
    • Mach 관련 이벤트 알림
  • custom dispatch sources
    • 직접 설정 후 트리거

예시

let source = DispatchSource.makeTimerSource(queue: .main) 

source.setEventHandler {
    print("main queue에서 1초 뒤에 실행됨")
}

source.schedule(deadline: .now(), repeating: 1.0)
source.activate()
  1. Source를 만든다. 이 때 Queue를 지정해준다.
  2. 그리고 어떤 작업을 실행할 것인지 핸들러를 설정해준다.
  3. 스케쥴링 조건을 선택한다.
  4. 실행한다.

정리

  • DispatchQueue
    • Serial, Concurrent Queue가 존재한다.
    • 각각을 동기, 비동기적으로 작동하게 할 수 있다.
  • DispatchWorkItem
    • dispatchQueue안에서 작동할 작업을 캡슐화 할 수 있다.
  • DispatchGroup
    • 여러 작업들을 묶어서 관리할 수 있다. Block시켜서 동작시킬 수 있다.
  • DispatchSource
    • 시스템 이벤트를 비동기적으로 처리하기 위한 메커니즘이다.

다음 글에서는 Operation Queue에 대해서 알아보도록 하자.

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최완식
Goal, Plan, Execute.
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