이 글에서 분류한 기준은 책의 내용을 바탕으로 주관적인 견해로 재정리해본 것입니다.

이 장의 주제

• 여러 스레드를 동시에 돌리는 이유
• 여러 스레드를 동시에 돌리는 어려움과 이에 대처하고 깨끗한 코드를 작성하는 방법
• 동시성을 테스트하는 방법과 문제점

동시성에 관하여

• 동시성은 결합을 없애는 전략이다.
  • 즉, 무엇(What)과 언제(When)를 분리하는 전략이다.
• 스레드가 하나인 프로그램은 무엇과 언제가 서로 밀접해서 호출 스택을 살펴보면 프로그램 상태가 곧바로 드러난다.
  • 디버깅할 때 breakpoint을 정한 후 어디에 걸렸는지 살펴보면서 시스템 상태를 파악한다.

무엇과 언제

• 무엇과 언제를 분리하면 애플리케이션 구조와 효율이 극적으로 나아진다.
• 구조적인 관점에서 프로그램은 거대한 루프 하나가 아니라 작은 협력 프로그램 여럿으로 보인다.
  • 시스템을 이해하기 쉽고, 문제를 분리하기도 쉽다.

다중 스레드를 사용하는 이유

• 구조적 이점을 제공한다.
  • 예를 들어, 웹 요청이 들어올 때마다 웹 서버는 비동기적으로 서블릿을 실행한다. 각 서블릿은 독립적으로 돌아가며, 서블릿 프로그래머는 들어오는 모든 웹 요청을 관리할 필요가 없다.
• 어떤 시스템은 응답 시간과 작업 처리량 개선을 위해 직접적인 동시성 구현이 불가피하다.
  • 예를 들어, 한 번에 한 사용자를 처리하는 시스템보다 한 번에 많은 사용자를 처리하는 시스템이 응답 시간이 높다.
  • 혹은 정보를 대량으로 분석하는 시스템이 있다.

동시성의 미신과 오해

미신과 오해

• 동시성은 항상 성능을 높여준다.
  • 동시성은 때로 성능을 높여준다.
  • 대기 시간이 아주 길어 여러 스레드가 프로세서를 공유할 수 있거나, 여러 프로세서가 동시에 처리할 독립적인 계산이 충분히 많은 경우에만 성능이 높아진다. → 일상적으로 발생하는 상황은 아니다.
• 동시성을 구현해도 설계는 변하지 않는다.
  • 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.
  • 실제로는 컨테이너가 어떻게 동작하는지, 어떻게 동시 수정, 데드락 등과 같은 문제를 피할 수 있는지를 알아야만 한다.

동시성의 타당한 생각

• 동시성은 다소 부하를 유발한다.
  • 성능 측면에서 부하가 걸리며, 코드도 더 짜야 한다.
• 동시성은 복잡하다.
• 일반적으로 동시성 버그는 재현하기 어렵다.
  • 그래서 진짜 결함으로 간주되지 않고 일회성 문제로 여겨 무시하기 쉽다.
• 동시성을 구현하려면 흔히 근본적인 설계 전략을 재고해야 한다.

동시성의 난관

• 여러 스레드가 자바 코드 한 줄을 거쳐가는 경로는 수없이 많은데, 그 중 일부 경로가 잘못된 결과를 내놓는다.
  • 경로의 수를 알려면 JIT 컴파일러가 바이트 코드를 처리하는 방식과 자바 메모리 모델이 원자로 간주하는 최소 단위를 알아야 한다.
  • 서적의 예제에선 약 2,704,156개 였다.

동시성 방어 원칙

동시성 코드가 일으키는 문제로부터 시스템을 방어하는 원칙과 기술

단일 책임 원칙

• SRP는 주어진 메서드/클래스/컴포넌트를 변경할 이유가 하나여야 한다는 원칙이다.
• 동시성 관련 코드는 다른 코드와 분리해야 한다.
  • 동시성은 복잡성 하나만으로도 따로 분리할 이유가 충분하다.

동시성을 구현할 때 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.

따름 정리(corollary)

임계 영역 (critical section)

• 임계 영역은 공유 객체를 사용하는 코드 영역을 말한다.
• 두 스레드가 객체 하나를 공유한 후 동일 필드를 수정하면, 서로 간섭하므로 예상치 못한 결과를 내놓는다.
• 이러한 문제를 해결하는 방안으로 임계 영역을 synchronized 키워드로 보호하라고 권장한다.

공유 자료를 수정하는 위치가 많을 수록 다음 가능성이 커진다.

• 보호할 임계영역을 빼먹어서 공유 자료를 수정하는 모든 코드를 망가뜨린다.
• 모든 임계영역을 올바로 보호했는지(DRY 위반) 확인하느라 똑같은 노력과 수고를 반복한다.
• 찾아내기 어려운 버그가 더욱 찾기 어려워진다.

자료 범위를 제한하기

• 자료를 캡슐화(encapsulation)하고 공유 자료를 최대한 줄여라.
• 임계 영역의 수를 줄이는 기술이 중요하다.

자료 사본을 사용하기

• 공유 자료를 줄이려면 처음부터 공유하지 않는 방법이 제일 좋다.
  • 객체를 복사해 읽기 전용으로 사용하는 방법
  • 각 스레드가 객체를 복사해 사용한 후 한 스레드가 해당 사본에서 결과를 가져오는 방법
• 공유 객체를 피하는 방법이 있다면 코드가 문제를 일으킬 가능성도 아주 낮아진다.
• 객체를 복사하는 시간과 부하가 걱정스럽다면 복사 비용이 진짜 문제인지 실측할 필요가 있다.
  • 사본으로 동기화를 피할 수 있다면 내부 잠금을 없애 절약한 수행 시간이 사본 생성과 가비지 컬렉션에 드는 부하를 상쇄할 가능성이 크다.

스레드는 가능한 독립적으로 구현하기

• 독자적인 스레드로, 가능하면 다른 프로세서에서, 돌려도 괜찮도록 자료를 독립적인 단위로 분할하라.
  • 다른 스레드와 자료를 공유하지 않는다.
  • 각 스레드는 클라이언트 요청 하나를 처리한다.
  • 모든 정보는 비공유 출처에서 가져오며 로컬 변수에 저장한다.

이해하기

라이브러리를 이해하기

자바 5

자바 5는 동시성 측면에서 이전 버전보다 많이 나아졌다. 자바 5로 스레드 코드를 구현한다면 다음을 고려해야 한다.

• 스레드 환경에 안전한 컬렉션(자바5 부터 제공)을 사용한다.
• 서로 무관한 작업을 수행할 때는 executor 프레임워크를 사용한다.
• 가능하다면 스레드가 차단(blocking)되지 않는 방법을 사용한다.
• 일부 클래스 라이브러리는 스레드에 안전하지 못하다.

스레드 환경에 안전한 컬렉션

• 언어가 제공하는 클래스를 검토하라.
  • 자바에서는 java.util.concrrent , java.util.concrrent.atomic , java.util.concrrent.locks 를 익혀야 한다.
• java.util.concurrent 패키지가 제공하는 클래스는 다중 스레드 환경에서 사용해도 안전하며 성능도 좋다.
• ConcurrentHashMap 은 거의 모든 상황에서 HashMap 보다 빠르며, 동시 읽기/쓰기를 지원하고 자주 사용하는 복합 연산을 다중 스레드 상에서 안전하게 만든 메서드로 제공한다.

클래스	설명
ReentrantLock	한 메서드에서 잠그고 다른 메서드에서 푸는 락(lock)
Semaphore	전형적인 세마포다. 개수(count)가 있는 락
CountDownLatch	지정한 수만큼 이벤트가 발생하고 나서야 대기 중인 스레드를 모두 해제하는 락. 모든 스레드에게 동시에 공평하게 시작할 기회를 준다.

실행 모델을 이해하라

• 다중 스레드 애플리케이션을 분류하는 방식
• 일상에서 접하는 대다수 다중 스레드 문제는 아래 세 범주 중 하나에 속한다.

기본 용어

구체적으로 논하기 전에 몇 가지 기본 용어부터 이해하자.

용어	설명
한정된 자원 (Bound Resource)	다중 스레드 환경에서 사용하는 자원으로, 크기나 숫자가 제한적이다. ex) 데이터베이스 연결, 길이가 일정한 읽기/쓰기 버퍼 등
상호 배제 (Mutual Exclusion)	한 번에 한 스레드만 공유 자료나 공유 자원을 사용할 수 있는 경우를 가리킨다.
기아 (Starvation)	한 스레드나 여러 스레드가 굉장히 오랫동안 혹은 영원히 자원을 기다린다. ex) 항상 짧은 스레드에게 우선순위를 줄 경우, 짧은 스레드가 지속적으로 이어져서 긴 스레드가 기아 상태에 빠진다.
데드락 (Deadlock)	여러 스레드가 서로가 끝나기를 기다린다. 모든 스레드가 각기 필요한 자원을 다른 스레드가 점유하는 바람에 어느 쪽도 더 이상 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.

생성자-소비자 모델 (Producer-Consumer)

하나 이상의 생성자 스레드가 정보를 생성해 버퍼(buffer)나 대기열(queue)에 넣는다.
하나 이상의 소비자 스레드가 대기열에서 정보를 가져와 사용한다.

• 생산자 스레드와 소비자 스레드가 사용하는 대기열은 한정된 자원이다.
• 생산자 스레드는 대기열에 빈 공간이 있어야 정보를 채운다.
  • 빈 공간이 생길 때까지 대기
• 소비자 스레드는 대기열에 정보가 있어야 가져온다.
  • 정보가 채워질 때까지 대기
• 대기열을 올바르게 사용하기 위해, 생산자 스레드와 소비자 스레드는 서로에게 시그널을 보낸다.
  • 생산자 스레드: 대기열에 정보를 채운 다음 소비자 스레드에게 “대기열에 정보가 있다”는 시그널 전송
  • 소비자 스레드: 대기열에서 정보를 읽어들인 후 “대기열에 빈 공간이 있다”는 시그널 전송
• 잘못하면 생산자 스레드와 소비자 스레드가 둘 다 진행이 가능함에도 불구하고 동시에 서로에게서 시그널을 기다릴 가능성이 존재한다.

읽기-쓰기 모델 (Readers-Writers)

읽기 스레드를 위한 주된 정보원으로 공유 자원을 사용하고, 쓰기 스레드는 공유 자원을 이따금 갱신한다.

• 처리율(throughput)이 문제의 핵심이다.
• 처리율을 강조하면 기아 현상이 생기거나 오래된 정보가 쌓인다.
• 갱신을 허용하면 처리율에 영향을 미친다.
• 읽기 쓰레드와 쓰기 스레드가 버퍼를 읽고 갱신하는 동안 서로가 버퍼를 읽기/갱신하지 않으려면 복잡한 균형 잡기가 필요하다.
  • 쓰기 스레드가 버퍼를 오랫동안 점유하는 바람에 여러 읽기 스레드가 버퍼를 기다리느라 처리율이 떨어진다.
  • 읽기 스레드가 없을 때까지 갱신을 원하는 쓰기 스레드가 버퍼를 기다리게 한다면, 읽기 쓰레드가 계속 이어진다면 쓰기 스레드는 기아 상태에 빠진다.
  • 쓰기 스레드에게 우선권을 준 상태에서 쓰기 스레드가 계속 이어진다면 처리율이 떨어진다.

식사하는 철학자들 모델 (Dining Philosophers)

둥근 식탁에 철학자 한 무리가 둘러앉았다. 각 철학자 왼쪽에는 포크가 놓여 있고, 식탁 가운데는 커다란 스파게티 한 접시가 놓였다.

철학자들은 배가 고프지 않으면 생각하며 시간을 보내고, 배가 고프면 양손에 포크를 집어들고 스파게티를 먹는다.

양손에 포크를 쥐지 않으면 먹지 못한다. 왼쪽 철학자나 오른쪽 철학자가 포크를 사용하는 중이라면 그쪽 철학자가 먹고 나서 포크를 내려놓을 때까지 기다려야 한다.

스파게티를 먹고 나면 포크를 내려놓고 배가 고플 때까지 다시 생각에 잠긴다.

• 여기서 철학자를 스레드로, 포크를 자원으로 바꿔 생각하라.
• 많은 기업 애플리케이션에서 겪는 문제다.
  • 여러 프로세스가 자원을 얻으려 경쟁한다.
  • 주의해서 설계하지 않으면 데드락, 라이브락, 처리율 저하, 호율성 저하 등을 겪는다.

의존성을 이해하라

• 동기화하는 메서드 사이에 존재하는 의존성을 이해하라.
• 의존성이 존재한다면 동시성 코드에 찾아내기 어려운 버그가 생긴다.

공유 객체 하나에 메서드 하나만 사용

• 자바 언어는 개별 메서드를 보호하는 synchronized 라는 개념을 지원한다.
• 하지만 공유 클래스 하나에 동기화된 메서드가 여럿이라면 구현이 올바른지 다시 한 번 확인하라.

공유 객체 하나에 여러 메서드가 필요한 상황

다음 세 가지 방법을 고려한다.

• 클라이언트에서 잠금
  • 클라이언트에서 첫 번째 메서드를 호출하기 전에 서버를 잠근다.
  • 마지막 메서드를 호출할 때까지 잠금을 유지한다.
• 서버에서 잠금
  • 서버에다 “서버를 잠그고 모든 메서드를 호출한 후 잠금을 해제하는” 메서드를 구현한다.
  • 클라이언트는 이 메서드를 호출한다.
• 연결(Adapted) 서버
  • 잠금을 수행하는 중간 단계를 생성한다.
  • ‘서버에서 잠금’ 방식과 유사하지만 원래 서버는 변경하지 않는다.

그 외 원칙

동기화하는 부분을 최대한 작게 만들어라

• 자바에서 synchronized 키워드를 사용하면 락을 설정한다.
  • 같은 락으로 감싼 모든 코드 영역은 한 번에 한 스레드만 실행이 가능하다.
• 여기저기서 synchronized 문을 남발하는 코드는 바람직하지 않다.
  • 락은 스레드를 지연시키고 부하를 가중시킨다.
• 임계영역은 반드시 보호해야 한다.
  • 따라서, 임계영역 수를 최대한 줄여야 한다.
  • 필요 이상으로 임계영역 크기를 키우면 스레드 간에 경쟁이 늘어나고 프로그램 성능이 떨어진다.

올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다

종료 코드를 개발 초기부터 고민하고 동작하게 초기부터 구현하라.
생각보다 오래 걸리고 어려우므로 이미 나온 알고리즘을 검토하라.

• 영구적으로 돌아가는 시스템을 구현하는 방법과 잠시 돌다 깔끔하게 종료하는 시스템을 구현하는 방법은 다르다.
• 깔끔하게 종료하는 코드는 올바로 구현하기 어렵다.
  • 시간을 투자해 올바로 구현하도록 해야 한다.
  • 가장 흔히 발생하는 문제: 스레드가 절대 오지 않을 시그널을 기다리는 데드락
  • 예를 들어 부모 스레드가 자식 스레드를 여러 개 만든 후 모두 끝나기를 기다렸다가 자원을 해제하고 종료하는 시스템이 있다면, 자식 스레드 하나가 데드락에 걸리면 부모 스레드는 영원히 기다리고 시스템은 영원히 종료하지 못한다.

스레드 코드 테스트하기

• 테스트는 정확성을 보장하지는 않지만, 충분한 테스트는 위험을 낮춘다.
• 문제를 노출하는 테스트 케이스를 작성하라.
  • 프로그램 설정과 시스템 설정과 부하를 바꿔가며 자주 돌려라.
  • 테스트가 실패하면 원인을 추적하라.
  • 다시 돌렸더니 통과하더라는 이유로 그냥 넘어가면 절대로 안 된다.

구체적인 지침

• 말이 안 되는 실패는 잠정적인 스레드 문제로 취급하라.
• 다중 스레드를 고려하지 않은 순차 코드부터 제대로 돌게 만들자.
• 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 다양한 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 있도록 스레드 코드를 구현하라.
• 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 상황에 맞춰 조율할 수 있게 작성하라.
• 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌려보라.
• 다른 플랫폼에서 돌려보라.
• 코드에 보조 코드(instrument)를 넣어 돌려라. 강제로 실패를 일으키게 해보라.

말이 안 되는 실패

• 말이 안 되는 실패는 단순한 ‘일회성’ 문제로 치부하고 무시해서는 안 된다.
  • 잠정적인 스레드 문제로 취급하라.
  • 일회성 문제란 존재하지 않는다고 가정하는 편이 안전하다.
• 시스템 실패를 일회성이라 치부하지 마라.

순차 코드부터 돌리기

• 스레드 환경 밖에서 코드가 제대로 도는지 반드시 확인한다.
• 스레드 환경 밖에서 생기는 버그와 스레드 환경에서 생기는 버그를 동시에 디버깅하지 마라.

다양한 환경에서 다중 스레드 쓰기

• 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 다양한 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 있도록 스레드 코드를 구현하라.
• 다양한 설정에서 실행할 목적으로 다른 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 있게 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.

다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 상황에 맞게 조율하기

• 적절한 스레드 개수를 파악하려면 상당한 시행착오가 필요하므로, 처음부터 다양한 설정으로 프로그램의 성능 측정 방법을 강구한다.
• 스레드 개수를 조율하기 쉽게 코드를 구현한다.
  • 프로그램이 돌아가는 도중에 스레드 개수를 변경하는 방법
  • 프로그램 처리율과 효율에 따라 스레드 개수를 조율하는 코드

프로세서 수보다 많은 스레드를 돌려보기

• 시스템이 스레드를 스와핑(swapping)할 때, 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌린다.
• 스와핑이 잦을수록 임계영역을 빼먹은 코드나 데드락을 일으키는 코드를 찾기 쉬워진다.

다른 플랫폼에서 돌려보기

• 처음부터 그리고 자주 모든 목표 플랫폼에서 코드를 돌려라.
• 다중 스레드 코드는 플랫폼에 따라 다르게 돌아간다.
• 따라서 코드가 돌아갈 가능성이 있는 플랫폼 전부에서 테스트를 수행해야 마땅하다.

강제로 실패를 일으키기

• 코드에 보조 코드(instrument)를 넣어 돌려라. 강제로 실패를 일으키게 해보라.
• 흔히 스레드 코드는 오류를 찾기가 쉽지 않다.
  • 간단한 테스트로는 버그가 드러나지 않는다.
  • 일상적인 상황에서는 아무 문제도 없다가 몇 시간, 며칠, 혹은 몇 주가 지나서야 한 번씩 모습을 드러낸다.
• 스레드 버그가 산발적이고 우발적이고 재현이 어려운 이유는 코드가 실행되는 수천 가지 경로 중 아주 소수만 실패하기 때문이다.
• 따라서 드물게 발생하는 오류를 좀 더 자주 일으키도록 보조 코드를 추가해 코드가 실행되는 순서를 바꿔준다.
  • 각 메서드는 스레드가 실행되는 순서에 영향을 미치므로, 버그가 드러날 가능성도 높아진다.
  • 잘못된 코드라면 가능한 초반에 그리고 가능한 자주 실패하는 편이 좋다.

코드에 보조 코드를 추가하는 방법: 직접 구현하기

• 코드에 직접 wait() , sleep() , yield() , priority() 함수를 추가한다.
• 특별히 까다로운 코드를 테스트할 때 적합하다.
• 이 방법에는 여러 문제가 있다.
  • 보조 코드를 삽입할 적정 위치를 직접 찾아야 한다
  • 어떤 함수를 어디서 호출해야 적당한지 어떻게 알까?
  • 배포 환경에 보조 코드를 그대로 남겨두면 프로그램 성능이 떨어진다.
  • 무작위적이다. 오류가 드러날지도 모르고 드러나지 않을지도 모르는데, 사실상 드러나지 않을 확률이 더 높다.
• 전체적으로 오류가 드러날 확률을 높이려면 방법이 필요하다.
  • 배포 환경이 아니라 테스트 환경에서 보조 코드를 실행할 방법
  • 실행할 때마다 설정을 바꿔줄 방법
• 스레드를 전혀 모르는 POJO와 스레드를 제어하는 클래스로 프로그램을 분할하면 보조 코드를 추가할 위치를 찾기가 쉬워진다.
  • 여러 상황에서 POJO를 호출하게 다양한 테스트 지그(jig)를 구현할 수도 있다.

코드에 보조 코드를 추가하는 방법: 자동화

• 보조 코드를 자동으로 추가하려면 AOF(Aspect-Oriented Framwork), CGLIB, ASM 등과 같은 도구를 사용한다.
• 흔들기 기법을 사용해 오류를 찾아내라.
  • 예를 들어, jiggle() 메서드만 갖는 클래스를 하나 만든 후 다양한 위치에서 호출한다. 메서드는 무작위로 sleep 이나 yield 를 호출하고, 때로는 아무 동작도 하지 않는다.
  • 클래스는 두 개를 만들어서, 하나는 메서드를 비워두고 배포 환경에서 사용하고 다른 하나는 무작위로 sleep 등을 호출하게 해서 테스트 환경에서 수행한다.
  • 코드를 흔드는(jiggle) 이유는 스레드를 매번 다른 순서로 실행하기 위해서다.
  • 좋은 테스트 케이스와 흔들기 기법은 오류가 드러날 확률을 크게 높여준다.

결론

• 다중 스레드 코드를 작성한다면 각별히 깨끗하게 코드를 짜야 한다.

정리

• SRP를 준수한다.
  • POJO를 사용해 스레드를 아는 코드와 스레드를 모르는 코드로 분리
  • 스레드 코드를 테스트할 때는 전적으로 스레드만 테스트
  • 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.
  • 잠글 필요가 없는 코드는 잠그지 않는다.
  • 잠긴 영역에서 다른 잠긴 영역을 호출하지 않는다.
  • 공유하는 객체 수와 범위를 최대한 줄인다.
  • 클라이언트에게 공유 상태를 관리하는 책임을 떠넘기지 않는다.
  • 필요하다면 객체 설계를 변경해 클라이언트에게 편의를 제공한다.
• 초반에 드러나지 않는 문제를 일회성으로 치부해 무시하지 마라.
• 스레드 코드는 많은 플랫폼에서 많은 설정으로 반복해서 계속 테스트해야 한다.
  • TDD 3대 규칙을 따르면 자연히 테스트 용이성을 얻을 수 있다.
• 시간을 들여 보조 코드를 추가하면 오류가 드러날 가능성이 크게 높아진다.
  • 직접 구현해도 괜찮고 몇 가지 자동화 기술을 사용해도 괜찮다.
  • 초반부터 보조 코드를 고려한다.
  • 스레드 코드는 출시하기 전까지 최대한 오랫동안 돌려봐야 한다.

Reference

참고 서적

📔 Clean Code