[클린 코드] 13. 동시성

클린 코드 도서 요약 내용입니다.

13장 동시성

동시성과 깔끔한 코드는 양립하기 어렵다. 아주 어렵다.
스레드를 하나만 실행하는 코드는 짜기 쉽다. 겉으로 보기에는 멀쩡하나 깊숙한 곳에 문제가 있는 다중 스레드 코드도 짜기 쉽다. 이런 코드는 시스템이 부하를 받기 전까지 멀쩡하게 돌아간다.

동시성이 필요한 이유

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

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

예를 들어, 웹 애플리케이션이 표준으로 사용하는 서블릿 모델을 살펴보자.
서블릿은 웹이라는 우산 아래서 돌아가는데, 이들 컨테이너는 동시성을 부분적으로 관리한다.

• 웹사이트 수집기: 한 번에 한 사이트를 방문하는 대신 다중 스레드 알고리즘을 이용하면 수집기 성능을 높일 수 있다.
• 한 번에 한 사용자를 처리하는 시스템: 많은 사용자를 동시에 처리하면 시스템 응답 시간을 높일 수 있다.

미신과 오해

동시성과 관련한 일반적인 미신과 오해

• 동시성은 항상 성능을 높여준다.
  대기 시간이 아주 길어 여러 스레드가 프로세서를 공유할 수 있거나, 여러 프로세서가 동시에 처리할 독립적인 계산이 충분히 많은 경우에만 성능이 높아진다.
• 동시성을 구현해도 설계는 변하지 않는다.
  단일 스레드 시스템과 다중 스레드 시스템은 설계가 판이하게 다르다.
• 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.

동시성과 관련된 타당한 생각 몇 가지

• 동시성은 다소 부하를 유발한다. 성능 측면에서 부하가 걸리며, 코드도 더 짜야한다.
• 동시성은 복잡하다. 간단한 문제라도 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.

난관

public class X {
  private int lastIdUsed;

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

lastIdUsed 필드를 42로 설정한 다음, 두 스레드가 해당 인스턴스를 공유한다. 두 스레드가 getNextId()를 호출한다고 가정하자. 결과는 셋 중 하나다.

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

두 스레드가 같은 변수를 동시에 참조하면 세 번째와 같이 놀라운 결과가 발생한다.

동시성 방어 원칙

단일 책임 원칙

동시성 관련 코드는 다른 코드와 분리해야 한다는 뜻이다. 동시성은 복잡성 하나만으로도 따로 분리할 이유가 충분하다.

권장사항: 동시성 코드는 다른 코드와 분리하라.

따른 정리: 자료 범위를 제한하라

앞서 봤듯이, 객체 하나를 공유한 후 동일 필드를 수정하던 두 스레드가 서로 간섭하므로 예상치 못한 결과를 내놓는다. 이런 문제를 해결하는 방안으로 synchronized 키워드로 보호하라고 권장한다.

권장사항: 자료를 캡슐화하라. 공유 자료를 최대한 줄여라.

따름 정리(corollary): 자료 사본을 사용하라

공유 자료를 줄이려면 처음부터 공유하지 않는 방법이 제일 좋다. 어떤 경우에는 객체를 복사해 읽기 전용으로 사용하는 방법이 가능하다.
공유 객체를 피하는 방법이 있다면 코드가 문제를 일으킬 가능성도 아주 낮아진다.

따름 정리: 스레드는 가능한 독립적으로 구현하라

자신만의 세상에 존재하는 스레드를 구현한다. 즉, 다른 스레드와 자료를 공유하지 않는다. 각 스레드는 클라이언트 요청 하나를 처리한다. 모든 정보는 비공개 출처에서 가져오며 로컬 변수에 저장한다. 그러면 각 스레드는 세상에 자신만 있는 듯이 돌아갈 수 있다. 다른 스레드와 동기화할 필요가 없으므로.

예를 들어, HttpServlet 클래스에서 파생한 클래스는 모든 정보를 doGet과 doPost 매개변수로 받는다. 그래서 각 서블릿은 마치 자신이 독자적인 시스템에서 동작하는 양 요청을 처리한다. 서블릿 코드가 로컬 변수만 사용한다면 서블릿이 동기화 문제를 일으킬 가능성은 전무하다.

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

라이브러리를 이해하라

자바 5로 스레드 코드를 구현한다면 다음을 고려하기 바란다.

• 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.

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

실행 모델을 이해하라

기본 용어부터 이해하자.

용어	설명
한정된 자원(Bound Resource)	다중 스레드 환경에서 사용하는 자원으로, 크기나 숫자가 제한적이다. 데이터베이스 연결, 길이가 일정한 읽기/쓰기 버퍼 등이 예다.
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. 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 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 못하다.

생산자-소비자(Producer-Consumer)

• 하나 이상의 생산자 스레드가 정보를 생성해 버퍼나 대기열에 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.
• 생산자 스레드는 대기열에 정보를 채운 다음 소비자 스레드에게 "대기열에 정보가 있다"는 시그널을 보낸다.
• 소비자 스레드는 대기열에서 정보를 읽어 들인 후 "대기열에 빈 공간이 있다"는 시그널을 보낸다.
• 따라서 잘못하면 생산자 스레드와 소비자 스레드가 둘 다 진행 가능함에도 불구하고 동시에 서로에게서 시그널을 기다릴 가능성이 존재한다.

읽기-쓰기(Readers-Writers)

• 읽기 스레드를 위한 주된 정보원으로 공유 자원을 사용하지만, 쓰기 스레드가 이 공유 자원을 이따금 갱신한다고 하자. 이런 경우 처리율(throughput)이 문제의 핵심이다.
• 처리율을 강조하면 기아 현상이 생기거나 오래된 정보가 쌓인다.
• 갱신을 허용하면 처리율에 영향을 미친다.
• 대개는 쓰기 스레드가 버퍼를 오랫동안 점유하는 바람에 여러 읽기 스레드가 버퍼를 기다리느라 처리율이 떨어진다.

식사하는 철학자들

• 둥근 식탁에 철학자 한 무리가 둘러앉았다. 각 철학자 왼쪽에는 포크가 놓였다.
• 식탁 가운데는 커다란 스파게티 한 접시가 놓였다.
• 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.
• 여기서 철학자를 스레드로, 포크를 자원으로 바꿔 생각해보라.

권장사항: 위에서 설명한 기본 알고리즘과 각 해법을 이해하라.

동기화하는 메서드 사이에 존재하는 의존성을 이해하라

권장사항: 공유 객체 하나에는 메서드 하나만 사용하라.

동기화하는 부분을 작게 만들어라

자바에서 synchronized 키워드를 사용하면 락을 설정한다. 락은 스레드를 지연시키고 부하를 가중시킨다. 그러므로 여기저기서 synchronized 문을 남발하는 코드는 바람직하지 않다.

권장사항: 동기화하는 부분을 최대한 작게 만들어라.

올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다

깔끔하게 종료하는 코드는 올바로 구현하기 어렵다. 가장 흔히 발생하는 문제가 데드락이다. 즉, 스레드가 절대 오지 않을 시그널을 기다린다.

권장사항: 종료 코드를 개발 초기부터 고민하고 동작하게 초기부터 구현하라. 생각보다 오래 걸린다. 생각보다 어려우므로 이미 나온 알고리즘을 검토하라.

스레드 코드 테스트하기

권장사항: 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.

고려할 사항이 아주 많다는 뜻이다. 아래에 몇 가지 구체적인 지침을 제시한다.

• 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 조정할 수 있게 작성하라.
• 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌려보라.
• 다른 플랫폼에서 돌려보라.
• 코드에 보조 코드를 넣어 돌려라. 강제로 실패를 일으키게 해보라.