동시성 프로그래밍을 위해 apple에서는 GCD라는 것을 제공한다는 사실을 이제 우리는 알고 있다. 그런데, 이외에 다른 방법이 하나 더있다. 바로 Operation Queue이다. 조금더 고수준의 API로 설계된 Operation Queue는 복잡한 작업들을 수행할 때 많이 사용하곤 한다. 그럼, 구체적으로 어떤 장점이 있는지 확인해보도록 하자.

해당 글은 사내 발표와 추가 정보를 기반으로 작성하였습니다.

Operation Queue

GCD를 기반으로 구현된 Objective-c class로, 고수준의 DispatchQueue이다.

GCD와 마찬가지로 Thread 직접 생성 대신, 특정 작업을 정의하고 Queue에 제출하여 시스템이 이를 수행하도록 하는 방식으로 동작한다. Operation이라는 클래스를 통해 수행할 작업을 정의하고, OperationQueue에 제출하면, Operation 객체의 우선 순위 및 준비 상태에 따라 대기중인 Operation을 실행한다. 상당히 DispatchQueue와 유사함을 알 수 있다.

DispatchQueue와 다른 점은, 동시에 실행할 수 있는 Operation의 최대 갯수를 지정할 수 있다는 점이다. 또한 아직 실행이 되지 않은 Operation을 매우 쉽게 취소할 수 있다. GCD의 경우, DispatchWorkItem에서 cancel 메서드를 활용했었다. 즉 해당 Item에서 접근했어야 했는데, Operation Queue의 경우 queue.cancelAllOperations() 라는 메서드로 한번에 가능하다.

Operation Queue 생성 방법은 GCD와 마찬가지로 2가지가 있다.

• Main Queue
  • OperationQueue.main
  • main thread 실행
• Concurrent Queue (Default)

  let queue = OperationQueue()
  queue.maxConvurrentoperationCount = OperationQueue.defaultMaxConcurrentOperationCount

  • maxConvurrentoperationCount 변수에 숫자를 넣으면 한번에 n개씩 빠져나가게 된다.
  • maxConvurrentoperationCount를 1로 설정하면 serial Queue의 동작을 하게된다.

Operation 추가의 겨웅 아래와 같은 API가 있다.

let queue = OperationQueue()
queue.addOperation(op: Operation)
queue.addOperation(block: () -> Void)
queue.addOperations(ops: [Operation], waitUntilFinished: Bool)

KVO-Compliant Properties

OperationQueue 클래스는 여러 Property에 대해 Key-value Coding 및 Key-value Observing을 준수한다. KVO는 이후 알아보고, 일단 가능한 property를 보면

• operations: Deprecated
  • 들어가 있는 Operation들
• operationCount: Deprecated
  • Operations의 개수
• maxConcurrentOperationCount: readable, writeable
  • 동시에 실행할 수 있는 최대 작업수
• isSuspended: readable, writeable
  • Queue의 일시 중단 여부
• name: readable, writable
  • 해당 Queue의 이름

let queue = OperationQueue()

let observation = queue.observe(\.isSuspended, changeHandler: { operation, _ in
    print("isSuspended: \(operation.isSuspended)")
})

queue.isSuspended = true

OperationQueue의 issuspended Property를 관찰할 수 있다.

Key-Value Coding (KVC)

문자열 식별자를 사용하여 객체의 프로퍼티에 간접적으로 액세스하기 위한 메커니즘

objective runtime에 의존하기 때문에 NSObject 상속과, @objc annotation을 적어주어야 한다.

class KVC: NSObject {
    @objc var value: Int

    override init() {
        value = 999
        
        super.init()
    }
}

let kvc = KVC()
print(kvc.value(forKey: "value")) // Optional(999)

kvc.setValue(5, forKey: "value") // setting value for Optional(5)

// Swift 4 KeyPath
print(kvc[KeyPath: \KVC.value]) // 5

문자열로 처리하는 것이기 때문에, 알겠지만 런타임으로 처리한다. 그래서 상당히 유연하다. 반대로 말하면 오류가 날 가능성도 높다.

Key-Value Observing (KVO)

다른 객체의 특정 프로퍼티에 대한 변경 사항을 알림 받을 수 있는 메커니즘

KVC를 사용하여 objective-c runtime에서 간접적으로 특정 property에 접근하기 때문에, NSObject 상속과, @objc, dynamic annotation을 붙여서 런타임에 노출 시켜야 한다.

class KVO: NSObject {44
    @objc dynamic var value = 0
}

let kvo = KVO()

let observation = kvo.observe(\.value, changeHandler: { kvo, _ in
    print(kvo.value)
})

kvo.value = 99 // 값이 변경되었을 때, 출력됨

observe 메서드를 통해서 변경을 알림 받고 싶은 변수를 명시하고, 콜백으로 정의하여 사용하면 된다.

Operation

수행하려는 작업을 캡슐화하는 Objective-C 기반 추상 클래스

추상 클래스이기 때문에 직접 사용하지 말고 Subclass를 사용하거나, 시스템 정의 Subclass 중 하나를 사용해야 한다.

• BlockOperation
• Subclassing

OperationQueue와 함께 사용하거나, 단독으로 사용할 수 있다. 그리고 단독으로 사용하는 경우 sync(default), async로 실행되도록 작업 설계가 가능하다.

KVO-Compliant Properties

Operation 클래스는 여러 Property에 대해 KVC 및 KVO를 준수한다.

• isCancelled: read-only
• isAsynchronous: read-only
• isExecuting: read-only
• isFinished: read-only
• isReady: read-only
• dependencies: read-only
• queuePriority: readable, writable
• completionBlock: readable, writable

let operation = BlockOperation(block: {
    print("task")
})

let observation1 = operation.observe(\.isExecuting, changeHandler: { operation, _ in
    print("isExecuting: \(operation.isExecuting)")
})

operation.start()

Operation Life Cycle

• pending
• Ready
• Executing
• Finished
• Cancelled
  • Bool Property

let operation = BlockOperation(block: {
    print("task")
})

let observation = operation.observe(\.isCancelled, changeHandler: { operation, _ in 
    print("isCancelled: \(operation.isCancelled)")
})

operation.cancel() // isCancelled: true
operation.start()

cancel 이후에는 start하더라도 값이 실행되지 않는다.

Block Operation

하나 이상의 블록 객체에 대한 Wrapper 역할을 하는 Operation의 Subclass

let operation1 = BlockOperation {
    print("task1")
}

let operation2 = BlockOperation {
    print("task2")
}

let operation3 = BlockOperation {
    print("task3")
}

operation1.start()
operation2.start()
operation3.start()

Operation을 단독으로 쓰는 경우 기본적으로 sync로 돌아간다고 했다. 그러므로 순차적으로 1, 2, 3으로 결과가 나온다. 즉, 각각의 제어권을 내놓지 않는다.

let operation = BlockOperation { 
    for _ in 0..<100 {
        print("task 1")
    }
}

operation.addExecutionBlock {
    for _ in 0..<100 {
        print("task 2")
    }
}

operation.start()

addExecutionBlock 메서드를 통해 더 많은 블럭을 추가할 수 있다. 여기서 중요한 것은 추가된 각 block들은 Concurrent하게 동작한다. 즉, 해당 예제의 결과는 1, 2의 순서 보장이 안된다.

Custom Operation

Operation 클래스의 하위 클래스를 만들어 실행 방법에 대한 커스텀 로직을 제공

Non-Concurrent Operation

Operation을 상속하고, main method 하나만을 override하면 된다.

class NonConcurrentOperation: Operation {
    override func main() {
        super.main()
        // task를 위한 code 작성
    }
}

let operation = NonConcurrentOperation()
operation.start()

Concurrent Operation

Operation을 먼저 비동기로 작동할 수 있게 만들어 주어야 한다.

• isAsynchronous
• isExecuting
• isFinished
• start()

위 4개의 프로퍼티 혹은 메서드를 override해야 한다. 위의 3개의 property의 경우 KVO를 지원하는데, 값이 변화할 때 이를 알려주는 notification을 만들어야 한다.

class AsyncOperation: Operation {
    override var isAsynchronous: Bool { // 먼저 concurrent하게 하기 위해 비동기를 켜준다.
        return true
    }

    private var _isExecuting = false
    override var isExecuting: Bool {  // property override시 getter, setter 작성 필요
        get {
            return _isExecuting
        }

        set {
            willChangeValue(for: \.isExecuting)
            _isExecuting = newValue
            didChangeValue(for: \.isExecuting)
        }
    }

    private var _isFinished = false
    override var isFinished: Bool {  
        get {
            return _isFinished
        }

        set {
            willChangeValue(for: \.isFinished)
            _isFinished = newValue
            didChangeValue(for: \.isFinished)
        }
    }

    override func start() {
        if self.isCancelled {
            self.isFinished = true
            return
        }

        self.isExecuting = true
        self.main()
    }

    func completeOperation() {
        self.isExecuting = false
        self.isFinished = true
    }
}

property override시 getter, setter를 가지고 저장 프로퍼티의 값을 변경하고, 가져와야 한다. 그래서 저렇게 작성한 것. 이렇게 만들어두고 실제 사용은 어떻게 할까?

class SomeAsyncOperation:n AsyncOperation {
    override func main() {
        super.main()
        // 비동기 작업을 정의한다.
        AsyncTask {
            // some code
            self.completeOperation() // capture 조심
        }
    }
}

let operation = SomeAsyncOperation()
operation.start()

start 함수 안에 main 함수를 실행하도록 되어 있으니, 우리가 사용할 코드는 main 함수를 override하여 정의해주기만 하면 된다.

Operation Dependency

특정 순서로 Operation을 실행하는 방법

Operation A <- Operation B

operation B가 operation A에 의존성을 가지고 있다고 설정해보자.

let operationA = ...
let operationB = ...

operationB.addDependency(operationA)

유의해야 하는 점은 종속(A) Operation이 성공적으로 완료되었는지, 혹은 실패되었는지 구분하지 않는다는 점이다. 즉, A의 작업이 성공인지 실패인지에 관계 없이 B가 실행된다. 또 취소한 경우도 완료로 표시된다.

만약에 종속 Operation이 취소되거나 혹은 실패한 경우 후속 Operation의 동작을 정하고 싶다면 별도로 처리가 필요하다.

RandomNumber를 만들고, 해당 값을 다음 Operation에 넘겨 Print하도록 하는 구조를 만들어보자.

class RandomNumberOperation: Operation {
    var value: Int?

    override func main() {
        super.main()

        self.value = (0..<100).randomElement()
    }
}

class PrintOperation: Operation {
    var value: Int?

    override func main() {
        super.main()

        guard let value = self.vaule else {
            return
        }

        print(self.value)
    }
}

let randomNumberOperation = RandomNumberOperation()
let printOperation = PrintOperation()

RandomNumberOperation은 값을 만들고, PrintOperation은 값이 있는 경우 출력하도록 되어 있다. 어떻게 연결하고 값을 넘길 수 있을까?

Completion Block 사용

randomNumberOperation.completionBlock = { [unowned randomNumberOperation, unowned printOperation] in
    printOperation.value = randomNumberOperation.value
}

printOperation.addDependency(randomNumberOperation)

let queue = OperationQueue()
queue.addOperations([randomNumberOperation, printOperation], waitUntilFinished: true)

1. Completion Block을 작성한다.
   • 이 경우 왜 unowned를 사용하였을까..?
2. 작성하여 종속 Operation의 property로 넣어둔다.
3. 의존성 관계를 작성한다.
4. 큐에 순서대로 작업을 넣는다.

Adapter Operation 사용

let adapter = BlockOperation { [ unowned randomNumberOperation, unowned printOperation] in
    printOperation.value = randomNumberOperation.value
}

adapter.addDependency(randomNumberOperation)
printOperation.addDependency(dapter)

let queue = OperationQueue()
queue.addOperations([randomNumberoperation, adapter, printOperation], waitUntilFinished: true)

adapter pattern은 말그래도 두 객체를 연결할 때, 연결할 수 있는 객체를 만들어서 연결하는 방법이다. Operation을 하나 만들고, 이 사이에서 서로의 의존성을 연결한다.

randomNumberOperation <- adapter <- printOperation

이 방법 역시 순환참조를 항상 조심해야 한다.

Operation Priority

Operation Queue 내에 현재 준비된 Operation의 실행 시작 순서를 정할 수 있다.

큐에 추가된 작업의 경우, 먼저 operation의 준비 상태에 따라 실행 순서가 결정된 다음 상대적 우선 순위에 따라 결정된다.

여기서 알아두어야 할 점은, 우선 순위가 종속성을 대체하지는 않는다는 점이다. 우선순위 값을 사용해서 서로다른 Operation의 순서를 관리하면 안된다. 종속성이 없는 Operation에 대해서만 상대적 우선 순위 분류가 필요한 경우, 해당 값을 사용해야 한다.

public enum QueuePrioirity: Int {
    case veryLow = -8
    case low = -4
    case normal = 0
    case high = 4
    case veryhigh = 8
}

let operationA = BlockOperation {
    print("operatoinA")
}

let operationB = BlockOperation {
    print("operationB)
}

let operationC = BlockOperation {
    print("operationC)
}

operationA.queuePrioirity = .veryLow
operationB.queuePrioirity = .normal
operationC.queuePrioirity = .high

let queue = OperationQueue()
queue.maxConcurrentOperationCount = 1
queue.addOperations([operationA, operationB, operationC], waitUntilFinished: true)

C, B, A 순으로 Operation이 실행된다. Serial Queue이기 때문에 일관된 결과가 도출된다.

Quality of Service

apple이 제공하는 작업의 명시적인 분류

이전의 GCD에서도 제공되었던 개념이다.

• User Interactive
• User Initiated
• Utility
• Background

let operation = BlockOperation {
    print("Long Running task")
}

operation.qualityOfService = .utility

let queue = OperationQueue()
queue.addOperation(operation)

이런식으로 operation의 property로 지정할 수 있다. 혹은

let operation = BlockOperation {
    print("Long Running Task")
}

let queue = OperationQueue()
queue.qualityOfService = .utility
queue.addOperation(operation)

이렇게 queue 자체에 지정할 수도 있다. 즉 operation 자체에 지정하면 OS에서 지정한 Queue로 들어가고, Queue에 설정하면 그러한 큐가 생성되어 동작하게 되는 것.

그런데 만약에, Queue에 지정된 QoS보다 우선순위가 높은 Operation이 들어가면 어떻게 될까?

상황	결과
Queue에 할당된 Qo

Queue QoS 할당 여부 및 상대적 우위	Operation QoS 할당 여부 및 상대적 우위	결과
X	O	아무 영향 없음. Operation에 지정된 QoS로 동작
O (Low QoS)	O (High QoS)	Queue의 QoS 승격 Queue 내부 Operation QoS 역시 승격

|
| O (Low -> High로 변경) | - (할당 되었을 수도 안되었을 수도) | QoS가 낮은 Queue 내부 Operation은 모두 승격 |
| O (High -> Low로 변경) | - | 기존의 Queue 내부 Operation은 반영받지 않음
새로 추가되는 Operation에만 반영 |

GCD vs OperationQueue

작업의 복잡도에 따라서 선택

• 단순한 block으로 처리하는 경우: DispatchQueue
• 작업의 종속성, 취소 빈번: Operation, OperationQueue

정리

• OperationQueue 역시 Serial, Concurrent가 있다.
• maxConcurrentOperationCount를 통해 변경할 수 있다.
• Operation은 Block Operation을 사용하거나 Operation을 Subclassing하여 사용이 가능하다.
• Operation Life Cycle이 있고, 취소, 실행중 등의 상태가 있다.
• KVO, KVC를 지원한다. (OperationQueue, Operation)
• Operation Dependency를 가져서, Operation간의 종속성을 설정할 수 있다.
• 우선순위 또한 설정가능하며, 다만 우선순위가 종속성을 대체하지는 않는다.
• DispatchQueue와 같이 QoS를 지원한다.

Reference

• OperationQueue