[Book - Clean Code] 13. 동시성 (작성중)
동시성과 깔끔한 코드는 양립하기 어렵다.
동시성이 필요한 이유?
동시성은 coupling을 없애는 전략이다.
즉, 무엇과 언제를 분리하는 전략이다.
스레드가 하나인 프로그램은 무엇과 언제가 서로 밀접하여 호출 스택을 살펴보면 프로그램 상태가 곧바로 드러난다.
무엇과 언제를 분리하면 애플리케이션 구조와 효율이 극적으로 나아진다.
단일 스레드 수집기는 웹 소켓에서 입출력을 기다리는 시간이 아주 많다.
한 번에 한 사이트를 방문하는 대신 다중 스레드 알고리즘을 이용하면 수집기 성능을 높일 수 있다.
미신과 오해
- 동시성에 대한 미신과 오해
- 동시성은 항상 성능을 높여준다.
- 동시성을 구현해도 설계는 변하지 않는다.
- 웹 또는 EJB 컨테이너를 사용하면 동시성을 이해할 필요가 없다.
- 동시성에 대한 타당한 생각
- 동시성은 다소 부하를 유발한다.
- 동시성은 복잡하다.
- 일반적으로 동시성 버그는 재현하기 어렵다.
- 동시성을 구현하려면 흔히 근본적인 설계 전략을 재고해야 한다.
동시성 방어 원칙
단일 책임 원칙(SRP)
SRP는 주어진 메서드/클래스/컴포넌트를 변경할 이유가 하나여야 한다는 원칙이다.
동시성은 복잡성 하나만으로도 따로 분리할 이유가 충분하다.
따라서 동시성 관련 코드는 다른 코드와 분리해야 한다.
동시성을 구현할 때는 아래 항목을 고려한다.
- 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.
- 주변에 있는 다른 코드가 발목을 잡지 않더라도 동시성 하나만으로도 충분히 어렵다.
권장사항: 동시성 코드는 다른 코드와 분리하라
따름 정리: 자료 범위를 제한하라
객체 하나를 공유한 후 동일 필드를 수정하던 두 스레드가 서로 간섭하므로 예상치 못한 결과를 내놓는다.
이런 문제를 해결하는 방안으로 공유 객체를 사용하는 코드 내 임계영역을 synchronized 키워드로 보호하라고 권장한다.
권장사항: 자료를 캠슐화하라, 공유 자료를 최대한 줄여라.
따름 정리: 자료 사본을 사용하라
공유 자료를 줄이려면 처음부터 공유하지 않는 방법이 제일 좋다.
어떤 경우에는 객체를 복사해 읽기 전용으로 사용하는 방법이 가능하다.
하지만 사본으로 동기화를 피할 수 있다면 내부 잠금을 없애 절약한 수행 시간이 사본 생성과 GC에 드는 부하를 상쇄할 가능성이 크다.
따름 정리: 스레드는 가능한 독립적으로 구현하라
다른 스레드와 자료를 공유하지 않게 한다.
권장사항: 독자적인 스레드로, 가능하면 다른 프로세서에서, 돌려도 괜찮도록 자료를 독립적인 단위로 분할하라.
라이브러리를 이해하라
스레드 환경에 안전한 컬렉션
권장사항: 언어가 제공하는 클래스를 검토하라.
java.util.concurent,java.util.concurrent.atomic,java.util.concurrent.locks
실행 모델을 이해하라
다중 스레드 애플리케이션을 분류하는 방식은 여러 가지이므로, 실행 모델을 몇 가지 살펴보자.
생산자-소비자 (Producer-Consumer)
하나 이상 생산자 스레드가 정보를 생성해 buffer나 대기열(queue)에 넣는다.
하나 이상 소비자 스레드가 대기열에서 정보를 가져와 사용한다.
생산자 스레드와 소비자 스레드가 사용하는 대기열은 한정된 자원이다.
생산자 스레드는 대기열에 빈 공간이 있어야 정보를 채운다.
즉, 빈 공간이 생길 때까지 기다린다.
소비자 스레드는 대기열에 정보가 있어야 가져온다.
즉, 정보가 채워질 때까지 기다린다.
생산자 스레드는 대기열에 정보를 채운 다음 소비자 스레드에게 “대기열에 정보가 있다”는 시그널을 보낸다.
소비자 스레드는 대기열에서 정보를 읽어들인 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)
대개는 쓰기 스레드가 버퍼를 오랫동안 점유하는 바람에 여러 읽기 스레드가 버퍼를 기다리느라 처리율이 떨어진다.
따라서 읽기 스레드의 요구와 쓰기 스레드의 요구를 적절히 만족시켜 처리율도 적당히 높이고 기아도 방지하는 해법이 필요하다.
간단한 전략은 읽기 스레드가 없을 때까지 갱신을 원하는 쓰기 스레드가 버퍼를 기다리는 방법이다.
하지만 읽기 스레드가 계속 이어진다면 쓰기 스레드는 기아 상태에 빠진다.
반면, 쓰기 스레드에게 우선권을 준 상태에서 쓰기 스레드가 계속 이어진다면 처리율이 떨어진다.
양쪽 균형을 잡으면서 동시 갱신 문제를 피하는 해법이 필요하다.
동기화하는 메서드 사이에 존재하는 의존성을 이해하라
동기화하는 메서드 사이에 의존성이 존재하면 동시성 코드에 찾아내기 어려운 버그가 생긴다.
자바 언어는 개별 메서드를 보호하는 synchronized라는 개념을 지원한다.
하지만 공유 클래스 하나에 동기화된 메서드가 여럿이라면 구현이 올바른지 다시 한 번 확인하기 바란다.
권장사항: 공유 객체 하나에는 메서드 하나만 사용하라.
공유 객체 하나에 여러 메서드가 필요한 상황도 생긴다.
- 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 서버
- 잠금을 수행하는 중간 단계를 생성한다.
- ‘서버에서 잠금’ 방식과 유사하지만 원래 서버는 변경하지 않는다.