[클린코드] 13장. 동시성

클린코드(CleanCode)를 읽고 간략하게 정리한 글입니다.

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13장. 동시성

1. 동시성이 필요한 이유?

- 동시성은 결합을 없애는 전략이다.(= 무엇(what)과 언제(when)를 분리하는 전략)

- 스레드가 하나인 프로그램은 무엇과 언제가 서로 밀접한데 이로 인해 호출 스택을 살펴보면 프로그램 상태가 곧바로 드러난다.

• 응답 시간 단축: 동시성은 시스템의 응답 시간을 줄여 사용자 경험을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다.
• 자원 활용 극대화: 프로세서와 같은 시스템 자원을 효율적으로 활용할 수 있게 한다.
• 설계 단순화: 큰 문제를 작은 문제로 나누어 병렬로 처리할 수 있다.

2. 난관

// Code 1-1
public class X { 
  private int lastIdUsed;
  
  public int getNextId() {
    return ++lastIdUsed;
  }
}

- lastIdUsed 필드를 42로 설정한 다음, 두 스레드가 해당 인스턴스를 공유한다고 했을 때 getNextId(); 를 호출하면 결과는 아래 셋 중 하나이다.

• 1번 스레드는 43을 받고 2번 스레드는 44를 받는다. (lastIdUsed = 44)
• 1번 스레드는 44를 받고 2번 스레드는 43을 받는다. (lastIdUsed = 44)
• 1번 스레드, 2번 스레드 모두 43을 받는다. (lastIdUsed = 43)

- 대다수는 올바른 결과를 내지만, 문제는 잘못된 결과를 내놓는 일부가 존재한다는 것이다.

3.동시성 방어 원칙

3-1. 단일 책임 원칙(SRP, Single Responsibility Principle)

- 동시성 관련 코드는 다른 코드와 분리되어야 한다.

- 동시성 코드는 시스템의 다른 부분과 독립적으로 변경될 수 있도록 한다.

3-2.  자료 범위를 제한하라

- 공유 자원에 접근하는 범위를 최소화하여 동시성 문제를 줄여야 한다.

- 스레드가 서로 다른 자원에 접근하도록 설계하는 것이 좋다.(Synchronized 사용)

3-3. 자료 사본을 사용하라

- 공유 자료를 줄이려면 처음부터 공유하지 않는 방법이 좋다.

- 객체를 복사해 읽기 전용으로 사용하는 방법이 가능하다.(불변객체)

- 불변 객체는 동시성 문제를 피하는데 유리하다.

- 객체를 불변으로 만들면 동기화 없이도 안전하게 사용할 수 있다.

3-4. 스레드는 가능한 독립적으로 구현하라

- 다른 스레드와 자료를 공유하지 않는다.

- 각 스레드는 클라이언트 요청 하나를 처리한다.

- 동시성 패턴을 사용하여 스레드의 동작을 예측 가능하고 이해하기 쉽게 만든다.

- 독자적인 스레드로, 가능하면 다른 프로세서에서, 돌려도 괜찮도록 자료를 독립적인 단위로 분할해야 한다.

4. 실행 모델을 이해하라

• 한정된 자원(Bound Resource)
  - 다중 스레드 환경에서 사용하는 자원으로, 크기나 숫자가 제한적.
  - 데이터베이스 연결, 길이가 일정한 읽기/쓰기 버퍼 등
• 상호 배제(Mutual Exclusion)
  - 한 번에 한 스레드만 공유 자료나 공유 자원을 사용할 수 있는 경우
• 기아(Starvation) 상태
  - 한 스레드나 여러 스레드가 굉장히 오랫동안 혹은 영원히 자원을 기다림
  - 항상 짧은 스레드에게 우선순위를 준다면, 짧은 스레드가 지속적으로 이어질 경우, 긴 스레드가 기아 상태에 빠짐
• 데드락(DeadLock)
  - 여러 스레드가 서로가 끝나길 기다림
  - 모든 스레드가 각기 필요한 자원을 다른 스레드가 점유하는 바람에 어느 쪽도 더 이상 진행하지 못함.
• 라이브락(LiveLock)
  - 락을 거는 단계에서 각 스레드가 서로를 방해
  - 스레드는 계속해서 진행하려 하지만 공명(Resonance)으로 인해, 굉장히 오랫동안 혹은 영원히 진행하지 못함.

- 다중 스레드 어플리케이션에서 사용하는 실행 모델

• 생산자-소비자(Producer-Consumer)
  - 하나 이상 생산자 스레드가 정보를 생성해 빈 공간이 있으면 (없으면 대기) 버퍼나 대기열에 넣는다.
  - 하나 이상 소비자 스레드가 대기열에서 정보가 있으면 (없으면 대기) 정보를 가져와 사용한다.
  - 생산자 - 소비자 스레드가 사용하는 대기열은 한정된 자원
  - 서로에게 시그널을 보내게 되는데, 잘못하면 둘 다 진행 가능하지만 무한정 대기만 할 수도 있다.
• 읽기-쓰기(readers-Writers)
  - 읽기 스레드를 위한 주된 정보원으로 공유 자원 사용
  - 쓰기 스레드가 공유 자원을 갱신하는 경우
  - 적절히 균형을 잡아 처리율을 적당히 높이고 기아를 방지하는 해법이 필요하다
• 식사하는 철학자들(Dining Philosophers)
  - 기업 애플리케이션은 여러 프로세스가 자원을 얻으려 경쟁한다
  - 주의해서 설계하지 않으면 데드락, 라이브락, 처리율 저하, 효율성 저하등의 상황을 겪을 수 있다.

5. 동기화하는 메서드 사이에 존재하는 의존성을 이해하라

- 동기화하는 메소드 사이에 의존성이 존재하면 동시성 코드에 찾아내기 어려운 버그가 생긴다.

- 공유 클래스 하나에 동기화된 메소드가 여럿이라면 구현이 올바른지 다시 한번 확인해야 한다.

- 공유 객체 하나에는 메소드 하나만 사용해야 한다.

- 공유 객체 하나에 여러 메소드가 필요한 경우 아래와 같은 방법을 고려한다.

• 클라이언트에서 잠금
  - 클라이언트에서 첫 번째 메소드를 호출하기 전에 서버를 잠근다.
  - 마지막 메소드를 호출할 때까지 잠금을 유지한다.
• 서버에서 잠금
  - 서버에 "서버를 잠그고 모든 메소드를 호출한 후 잠금을 해제하는" 메소드를 구현한다.
• 연결 서버
  - 잠금을 수행하는 중간 단계를 생성한다.
  - '서버에서 잠금' 방식과 유사하지만 원래 서버는 변경하지 않는다.

- 자원에 접근하는 코드 블록을 동기화하여 여러 스레드가 동시에 자원에 접근하지 못하도록 한다.

6. 동기화하는 부분을 작게 만들어라

- Java에서 Synchronized 키워드를 사용하면 락(Lock)을 설정한다.

- 락은 스레드를 지연시키고 부하를 가중시킨다. -> Synchronized 를 남발하면 안 된다.

- 반대로 Critical-Secition(임계영역)은 반드시 보호해야 한다.

- 동기화하는 부분을 최대한 작게 만들어야 한다.

- 잠금은 성능에 영향을 미칠 수 있으므로, 가급적 경량 동기화 메커니즘을 사용해야 한다.(원자적 연산이나 로컬 스레드 변수를 사용하는 방법)

7. 올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다

- 영구적으로 돌아가는 시스템을 구현하는 방법과 잠시나마 돌다 종료하는 시스템을 구현하는 방법은 다르다.

- 깔끔하게 종료하는 코드는 올바로 구현하기 어려운데 가장 흔히 발생하는 문제가 DeadLock(데드락)이다.

- 종료 코드를 개발 초기부터 고민하고 동작하게 초기부터 구현해야 하고, 생각보다 어렵기 때문에 이미 존재하는 알고리즘을 검토해야 한다.

- 스레드가 특정 조건을 만족할 때까지 대기하거나, 조건이 만족되었을 때 다른 스레드에게 신호를 보내는 데 사용된다.

8. 스레드 코드 테스트하기

- 코드가 올바르다고 증명하기는 현실적으로 불가능하며 테스트가 정확성을 보장하지는 않는다.

- 그럼에도 테스트는 위험을 낮추는 하나의 방법이다.

- 문제를 노출하는 테스트 케이스를 작성하고, 프로그램 설정과 시스템 설정과 부하를 바꿔가며 자주 돌려야 하며, 테스트가 실패하면 원인을 추적해야 한다.

- 고려해야 할 부분이 많다는 것이고 이는 아래와 같이 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 있게 스레드 코드를 구현하라
• 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 상황에 맞게 조율할 수 있게 작성하라
• 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌려보라
• 다른 플랫폼에서 돌려보라
• 코드에 보조 코드instrument를 넣어 돌려라. 강제로 실패를 일으키게 해 보라

8-1. 말이 안 되는 실패는 잠정적인 스레드 문제로 취급하라

- 다중 스레드 코드는 종종 '말이 안 되는' 오류를 발생시킨다.

- 대부분 개발자는 이러한 문제를 직관적으로 파악하지 못하고 좌절하게 만든다.

- 스레드 코드에 잠입한 버그는 수천, 수백만 번에 한 번씩 드러나 실패를 재현하기 아주 어렵다.

- 시스템 실패를 '일회성'이라 치부하지 말아야 한다.

- 일회성 문제를 계속 무시한다면 잘못된 코드 위에 코드가 계속 쌓인다.

8-2. 다중 스레드를 고려하지 않은 순차 코드부터 제대로 돌게 만들자

- 스레드 환경 밖에서 코드가 제대로 도는지 반드시 확인한다.

- 일반적인 방법으로, 스레드가 호출하는 POJO를 만든다.

- POJO는 스레드를 모른다.

- 따라서 스레드 환경 밖에서 테스트가 가능하다.

- POJO에 넣는 코드는 많을수록 더 좋다.

- 스레드 환경 밖에서 생기는 버그와 스레드 환경에서 생기는 버그를 동시에 디버깅하지 말고 스레드 환경 밖에서 코드를 올바르게 돌려야 한다.

8-3. 다중 쓰레드를 쓰는 코드 부분을 다양한 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 있게 스레드 코드를 구현하라

- 다중 스레드를 쓰는 코드를 다양한 설정으로 실행하기 쉽게 구현해야 한다.

• 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.

- 다양한 설정에서 실행할 목적으로 다른 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 있게 코드를 구현해야 한다.

8-4. 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 상황에 맞게 조율할 수 있게 작성하라

- 적절한 스레드 개수를 파악하려면 상당한 시행착오가 필요하다.

- 스레드 개수를 조율하기 위해 쉽게 코드를 작성한다.

- 프로그램이 돌아가는 도중에 스레드 개수를 변경하는 방법도 고려한다.

- 프로그램 처리율과 효율에 따라 스스로 스레드 개수를 조율하는 코드를 고민한다.

8-5. 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌려보라

- 시스템이 스레드를 스와핑(swapping=교환)할 때도 문제가 발생한다.

- 스와핑을 일으키려면 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌려봐야 한다.

- 스와핑이 잦을수록 임계영역을 빼먹은 코드나 데드락을 일으키는 코드를 찾기 쉬워진다.

8-6. 다른 플랫폼에서 돌려보라

- 다중 스레드 코드는 플랫폼에 따라 다르게 돌아간다.

- 코드가 돌아갈 가능성이 있는 플랫폼에서 테스트를 수행해보아야 한다.

8-7. 코드에 보조코드를 넣어 돌려라. 강제로 실패를 일으키게 해보라

- 스레드 버그가 산발적이고 우발적이고 재현이 어려운 이유는 코드가 실행되는 수천 가지 경로 중에 아주 소수만 실패하기 때문이다.

- 보조코드를 추가해 코드가 실행되는 순서를 바꿔주어 오류를 좀 더 자주 일으킬 수 있도록 할 수 있다.

- 각 메서드는 스레드가 실행되는 순서에 영향을 미치고, 버그가 드러날 가능성도 높아진다.

- 잘못된 코드라면 가능한 초반에 그리고 가능한 자주 실패하는 편이 좋다.

- 코드에 직접 구현하는 방법은 아래와 같다.

• 직접 구현하기
  - 코드에 직접 wait(), sleep() 등을 추가한다.
  - 까다로운 코드를 테스트할 때 적합하다.
• 자동화
  - AOP, CGLIM, ASM 등 과 같은 도구를 사용한다.

9. 요약

- 동시성은 프로그램의 성능과 사용자 경험을 향상하는 중요한 기술이지만, 잘못 구현하면 복잡성과 오류를 증가시킬 수 있다.

- 동시성 관련 코드는 다른 코드와 분리하고, 불변 객체를 활용하며, 동시성 패턴을 이해하는 것이 중요하다.

- 경쟁 조건, 교착 상태, 기아 상태와 같은 동시성 문제를 피하기 위해 적절한 동기화 메커니즘을 사용해야 한다.

- 동시성 코드를 테스트할 때는 단위 테스트, 통합 테스트, 스트레스 테스트를 통해 다양한 환경에서의 동작을 검증하는 것이 필요하다.