IT 공부/Clean Code

Clean Code 요약해보기 (13)

수박한암살자 2022. 7. 5. 23:01

13장 동시성

객체는 처리의 추상화다. 스레드는 일정의 추상화다.

- 제임스 O. 코플리엔

 

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

 

동시성이 필요한 이유

동시성은 결합(coupling)을 없애는 전략이다. 즉, 무엇과 언제를 분리하는 전략이다.

스레드가 하나인 프로그램은 무엇과 언제가 서로 밀접하다.

 

무엇과 언제를 분리하면 애플리케이션 구조와 효율이 극적으로 나아진다.

 

서블릿 모델을 살펴보자. 서블릿은 웹 혹은 EJB 컨테이너라는 우산 아래서 돌아가는데, 이들 컨테이너는 동시성을 부분적으로 관리한다. 웹 요청이 들어올 때마다 웹 서버는 비동기식으로 서블릿을 실행한다. 서블릿 프로그래머는 들어오는 모든 웹 요청을 관리할 필요가 없다. 원칙적으로 각 서블릿 스레드는 다른 서블릿 스레드와 무관하게 자신만의 세상에서 돌아간다.

 

그런데 동시성이 이렇게 간단한 문제라면 이 장이 필요하지 않으리라. 실제로 웹 컨테이너가 제공하는 결합분리(decoupling) 전략은 완벽과 거리가 아주 멀다. 서블릿 프로그래머는 동시성을 정확히 구현하도록 각별한 주의와 노력을 기울여야 한다. 그럼에도 서블릿 모델이 제공하는 구조적 이점은 아주 크다.

 

하지만 구조적 개선만을 위해 동시성을 채택하는 건 아니다. 어떤 시스템은 응답 시간과 작업 처리량 개선이라는 요구사항으로 인해 직접적인 동시성 구현이 불가피하다.

 

미신과 오해

동시성이 반드시 필요한 순간이 온다. 하지만 동시성은 어렵다. 각별히 주의하지 않으면 난감한 상황에 처한다. 다음은 동시성과 관련한 일반적인 미신과 오해다.

 

  • 동시성은 항상 성능을 높여준다.
    • 동시성은 때로 성능을 높여준다. 여러 스레드가 프로세서를 공유할 수 있거나, 여러 프로세서가 동시에 처리할 독립적인 계산이 충분히 많은 경우에만 성능이 높아진다.
  • 동시성을 구현해도 설계는 변하지 않는다.
    • 단일 스레드 시스테과 다중 스레드 시스템은 설계가 판이하게 다르다. 일반적으로 무엇과 언제를 분리하면 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.

반대로 다음은 동시성과 관련된 타당한 생각 몇 가지다.

  • 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.

난관

동시성을 구현하기가 어려운 이유는 무엇일까? 다음 코드를 보자.

public class X {
    private int lastIdUsed;
    
    public int getNextId() {
        return ++lastIdUsed;
    }
}

인스턴스 X를 생성하고, lastIdUsed 필드를 42로 설정한 다음, 두 스레드가 해당 인스턴스를 공유한다. 이제 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. 두 스레드가 자바 코드 한 줄을 거쳐가는 경로는 수없이 많은데, 그 중에서 일부 경로가 잘못된 결과를 내놓기 때문이다. 경로가 얼마나 많냐고? 정확히 답하려면 JIT(Just-In-Time) 컴파일러가 바이트 코드를 처리하는 방식과 자바 메모리 모델이 원자로 간주하는 최소 단위를 알아야 한다.

 

간단하게 답하자면, 바이트 코드만 고려했을 때, 두 스레드가 getNextId 메서드를 실행하는 잠재적인 경로는 최대 12,780개에 달하며, lastIdUsed변수를 int에서 long으로 변경하면 조합 가능한 경로 수는 2,704,156개로 증가한다.

 

동시성 방어 원칙

단일 책임 원칙(SRP)

동시성은 복잡성 하나만으로도 따로 분리할 이유가 충분하다. 동시성을 구현할 때는 다음 몇 가지를 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(corollary): 자료 범위를 제한하라

위에서 본 코드 예제를 해결하기 위해 공유 객체를 사용하는 코드 내 임계영역(critical section)을 synchronized 키워드로 보호하라고 권장한다. 이런 임계영역의 수를 줄이는 기술이 중요하다. 공유 자료를 수정하는 위치가 많을수록 다음 가능성도 커진다.

  • 보호할 임계영역을 빼먹는다. 그래서 공유 자료를 수정하는 모든 코드를 망가뜨린다.
  • 모든 임계영역을 올바로 보호했는지(DRY 이반) 확인하느라 똑같은 노력과 수고를 반복한다.
  • 그렇지 않아도 찾아내기 어려운 버그가 더욱 찾기 어려워진다.
  • 권장사항: 자료를 캡슐화(encapsulation)하라. 공유 자료를 최대한 줄여라.

따름 정리: 자료 사본을 사용하라

공유 자료를 줄이려면 처음부터 공유하지 않는 방법이 제일 좋다. 객체를 복사해 읽기 전용으로 쓰거나 각 스레드가 객체를 복사해 사용한 후, 한 스레드가 해당 사본에서 결과를 가져오는 방법 등이 있다.

 

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 비공유 출처에서 가져오며 로컬 변수에 저장한다. 그러면 각 스레드는 세상에 자신만 있는 듯이 돌아갈 수 있다. 다른 스레드와 동기화할 필요가 없으므로.

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

라이브러리를 이해하라

자바 5는 동시성 측면에서 이전 버전보다 많이 나아졌다. 자바 5로 스레드 코드를 구현한다면 다음을 고려하기 바란다.

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

스레드 환경에 안전한 컬렉션

ConcurrentHashMap은 거의 모든 상황에서 HashMap보다 빠르고, 동시 읽기/쓰기를 지원하며, 자주 사용하는 복합 연산을 다중 스레드 상에서 안전하게 만든 메서드로 제공한다. 자바 5를 사용한다면 ConcurrentHashMap부터 살펴보라고 권한다.

 

  • 권장사항: 언어가 제공하는 클래스를 검토하라. 자바에서는 java.util.concurrent, java.util.concurrent.atomic, java.util.concurrent.locks를 익혀라

실행 모델을 이해하라

한정된 자원(Bount Resource) 다중 스레드 환경에서 사용하는 자원으로, 크기나 숫자가 제한적이다. 데이터베이스 연결, 길이가 일정한 읽기/쓰기 버퍼 등이 예다.
상호 배제(Mutual Exclustion) 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(Deatlock) 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.

위 기본 개념을 이해한 뒤, 이제 다중 스레그 프로그래밍에서 사용하는 실행 모델을 몇 가지 살펴보자.

생산자-소비자(Produce-Consumer)

하나 이상 생산자 스레드가 정보를 생성해 버퍼나 대기열(queue)에 넣는다. 하나 이상 소비자 스레드가 대기열에서 정보를 가져와 사용한다. 생산자 스레드와 소비자 스레드가 사용하는 대기열은 한정된 자원이다. 따라서 생산자는 빈 공간이 있어야 넣고, 소비자는 정보가 있어야 가져온다. 이 때 대기열 사용 시, 서로에게 시그널을 보낸다.

생산자는 '대기열에 정보가 있다' 라는 시그널을 보내고 소비자는 '대기열에 빈 공간이 있다'는 시그널을 보낸다. 따라서 잘못하면 서로에게서 시그널을 기다릴 가능성이 존재한다.

 

읽기-쓰기(Readers-Writers)

읽기 스레드를 위한 주된 정보원으로 공유 자원을 사용하지만, 쓰기 스레드가 이 공유 자원을 이따끔 갱신한다고 하자. 이런 경우 처리율(throughput)이 문제의 핵심이다. 처리율을 강조하면 기아 현상이 생기거나 오래된 정보가 쌓인다. 갱신을 허용하면 처리율에 영향을 미친다. 따라서 복잡한 균형잡기가 필요하다.

간단한 전략은 읽기 스레드가 없을 때까지 갱신을 원하는 쓰기 스레드가 버퍼를 기다리는 방법이다. 하지만 읽기 스레드가 계속 이어진다면 쓰기 스레드는 기아 상태에 빠진다. 그렇다고 쓰기 스레드가 우선권을 가지면 처리율이 떨어진다.

 

식사하는 철학자들(Dining Philosophers)

둥근 식탁에 철학자 한 무리가 둘러앉았다. 각 철학자 왼쪽에는 포크가 놓였다. 가운데의 스파게티를 먹기 위해서는 양손에 포크가 필요하다. 이 경우, 왼쪽 또는 오른쪽 철학자가 식사 중이라면 식사를 할 수 없다. 양쪽이 다 식사를 마친 후 먹을 수 있다. 먹고 나면 다시 포크를 내려놓고 배가 고플 때까지 기다린다.

여기서 철학자를 스레드로, 포크를 자원으로 바꿔보자. 많은 기업 애플리케이션에서 겪는 문제다. 주의하지 않으면 데드락, 라이브락, 처리율 저하, 효율성 저하 등을 겪는다. 

 

일상에서 접하는 문제의 대부분은 위 세 범주 중 하나에 속한다. 각 알고리즘을 공부하고 해법을 직접 구현해보자. 그러면 나중에 실전 문제에 부닥쳤을 때 해결이 쉬워지리라.

 

동기화하는 메서드 사이에 존재하는 의존성을 이해하라

동기화하는 메서드 사이에 의존생이 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

하지만 여러 메서드가 필요하다면 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.

동기화하는 부분을 작게 만들어라

synchronized 키워드를 이용한 락은 부하를 가중시킨다. 그러므로 이를 남발하는 코드는 바람직하지 않다. 반면, 임계영역은 반드시 보호해야 한다. 따라서, 코드를 짤 때는 임계영역을 최대한 줄여야 한다.

 

올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다

깔끔하게 종료하는 코드는 올바로 구현하기 어렵다. 가장 흔히 발생하는 문제가 데드락이다.

깔끔하게 종료하는 코드를 짜야 한다면 초기부터 시간을 투자해 올바로 구현하기 바란다. 또한 이미 나온 알고리즘을 검토하라.

 

스레드 코드 테스트하기

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. 아래 지침을 명심하자.

  • 말이 안 되는 실패는 잠정적인 스레드 문제로 취급하라.
    • 시스템 실패를 '일회성'이라 치부하지 마라
  • 다중 스레드를 고려하지 않은 순차 코드부터 제대로 돌게 만들자.
    • 스레드 환경 밖에서 생기는 버그와 스레드 환경에서 생기는 버그를 동시에 디버깅하지 마라. 먼저 스레드 환경 밖에서 코드를 올바로 돌려라.
  • 다중 스레드를 코드 부분을 다양한 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 있도록 스레드 코드를 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 맞춰 조정할 수 있게 작성하라.
    • 적절한 스레드 개수를 파악하기 위해선 시행착오가 필요하다. 따라서 스레드 개수를 조율하기 쉽게 코드를 작성해라.
  • 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌려보라.
    • 시스템이 스레드를 스와핑할 때도 문제가 발생하기 때문에 이를 테스트 해보기 위함이다.
  • 다른 플랫폼에서 돌려보라.
    • 다중 스레드 코드는 플랫폼마다 다르게 돌아간다.
  • 코드에 보조 코드(instrument)를 넣어 돌려라. 강제로 실패를 일으키게 해보라.
    • 스레드 코드의 오류는 찾기 어렵다. 간단한 테스트로 발견도 어렵고, 자주 발생하지도 않는다. 따라서 보조 코드를 추가해 코드가 실행되는 순서를 바꿔준다. 예를 들어, Object.wait(), Object.sleep(), Object.yield(), Object.priority()등과 같은 메서드를 추가해 코드를 다양한 순서로 실행한다.
    • 보조 코드를 추가하는 방법은 직접 구현하기와 자동화, 두 가지 방법이 있다.

직접 구현하기

public synchronized String nextUrlOrNull() {
    if(hasNext()) {
        String url = urlGenerator.next();
        Thread.yield(); // 테스트를 위해 추가
        updateHasNext();
        return url;
    }
}

코드가 실패한다면 yield()를 추가했기 때문이 아니다. 원래 잘못된 코드인데 증거가 드러났을 뿐이다.

이 방법에는 아래와 같은 문제들이 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 그러나지 않을지도 모른다. 사실상 드러나지 않을 확률이 더 높다.

배포 환경이 아니라 테스트 환경에서 보조 코드를 실행할 방법이 필요하다. 실행할 때마다 설정을 바꿔줄 방법도 필요하다. 그래야 전체적으로 오류가 드러날 확률이 높아진다.

확실히 스레드를 전혀 모르는 POJO와 스레드를 제어하는 클래스로 프로그램을 분할하면 보조 코드를 추가할 위치를 찾기가 쉬워진다. 게다가 여러 상황에서 sleep, yield 등으로 POJO를 호출하게 다양한 테스트 지그(jig)를 구현할 수도 있다.

 

자동화

보조 코드를 자동으로 추가하려면 AOP, CGLIB, ASM 등과 같은 도구를 사용한다.

public class ThreadJigglePoint {
    public static void jjiggle() {
    }
}

// 여기서 다양한 위치에 ThreadJigglePoint.jiggle() 호출을 추가한다.

public synchronized String nextUrlOrNull() {
    if(hasNext()) {
        ThreadJigglePoint.jiggle();
        String url = urlGenerator.next();
        ThreadJigglePoint.jiggle();
        updateHasNext();
        ThreadJigglePoint.jiggle();
        return url;
    }
}

ThreadJigglePoint.jiggle() 은 무작위로 sleep이나 yield를 호출한다. 때로는 아무 동작(nop)도 하지 않는다.

ThreadJigglePoint 클래스를 두 가지로 구현하면 편리하다. 하나는 jiggle() 메서드를 비워두고 배포 환경에서 사용한다. 다른 하나는 nop, sleep이나 yield 등을 테스트 환경에서 수행한다.  둘째 구현으로 이 코드로 테스트를 수천 번 실행하면 스레드 오류가 드러날지 모른다.

  • 권장사항: 흔들기(jiggle) 기법을 사용해 오류를 찾아내라.
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