[클린 코드: Clean Code] 13. 동시성(concurrent)

| 13. 동시성

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"객체는 처리의 추상화다. 스레드는 일정의 추상화다" - James O. Coplien

|| 동시성이 필요한 이유?

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- 동시성은 결합(coupling)을 없애는 전략 (무엇what 과 언제when 를 분리)

- 무엇과 언제를 분리하면 애플리케이션 구조와 효율이 극적으로 나아진다.

ex) 많은 사용자를 동시에 처리하면 시스템 응답 시간을 높일 수 있음

ex) 정보를 나눠 여러 컴퓨터에서 돌리면 대량의 정보를 병렬처리할 수 있음

||| 동시성과 관련한 일반적인 미신과 오해

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1. 동시성은 항상 성능을 높여준다?

- 때로 성능을 높여준다.

- "대기 시간이 아주 길어 여러 스레드가 프로세서를 공유할 수 있거나, 

  여러 프로세서가 동시에 처리할 독립적인 계산이 충분히 많은 경우에만"

2. 동시성을 구현해도 설계는 변하지 않는다?

- 단일 스레드 시스템과 다중 스레드 시스템은 설계가 판이하게 다르다.

3. 웹 또는 EJB 컨테이너를 사용하면 동시성을 이해할 필요가 없다?

- 동작, 동시 수정 / 데드락 등과 같은 문제를 피할 수 있는지 알아야 한다.

* 동시성은 다소 부하를 유발한다 !

* 동시성은 복잡하다 !

* 일반적으로 동시성 버그는 재형하기 어렵다 !

* 동시성을 구현하려면 흔히 근본적인 설계 전략을 재고해야 한다 !

|| 동시성 방어 원칙

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- 동시성 코드가 일으키는 문제로부터 시스템을 방어하는 원칙과 기술

||| 단일 책임 원칙 (Single Responsibility Principle, SRP)

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- 주어진 Method/Class/Component 를 변경할 이유는 하나여야 한다는 원칙

* 동시성 코드는 다른 코드와 분리해야 한다.

||| 따름 정리(Corollary): 자료 범위를 제한하라

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- 공유 객체를 사용하는 코드 내 임계 영역(critical section)을 Synchronized 키워드로 보호

* 자료를 캡슐화 하라. 공유 자료를 최대한 줄여라.

||| 따름 정리: 자료 사본을 사용하라

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- 공유 자료를 줄이려면 처음부터 공유하지 않는 방법이 가장 좋다.

1. 객체를 복사해 읽기 전용으로 사용

2. 각 스레드가 객체를 복사해 사용한 후 한 스레드가 해당 사본에서 결과를 가져오기

||| 따름 정리: 스레드는 가능한 독립적으로 구현하라

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- 자신만의 세상에 존재하는 스레드를 구현 (각 스레드는 클라이언트 요청 하나를 처리)

- 모든 정보는 비공유 출처에서 가져오며 로컬 변수에 저장

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

|| 라이브러리를 이해하라

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-  java5로 스레드 코드를 구현한다면 고려해야할 사항

1. 스레드 환경에 안전한 컬렉션 사용

2. 서로 무관한 작업을 수행할 때는 executor framework 사용

3. 가능하다면 스레드가 blocking 되지 않는 방법을 사용

4. 일부 클래스 라이브러리는 스레드에 안전하지 못함

||| 스레드 환경에 안전한 컬렉션

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- ConcurrentHashMap

- ReentrantLock : 한 메서드에서 잠그고 다른 메서드에서 푸는 Lock

- Semaphore : 전형적인 Semaphore, count가 있는 Lock

- CountDownLatch : 지정한 수만큼 이벤트가 발생해야 대기 중인 스레드를 모두 해재하는 Lock

* 언어가 제공하는 Class를 검토하라.

- java.util.concurrent

- java.util.concurrent.atomic

- java.util.locks

|| 실행 모델을 이해해라

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||| 기본 개념

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ㅇ 한정된 자원(Bound Resource) : 다중 스레드 환경에서 사용하는 자원. (DB 연결, 길이가 일정한 R/W 버퍼 등)

ㅇ 상호 배제(Mutual Exclusion) : 한 번에 한 스레드만 공유 자료나 공유 자원을 사용할 수 있는 경우

ㅇ 기아(Starvation) : 한 스레드나 여러 스레드가 굉장히 오랫동안 혹은 영원히 자원을 기다리는 상황

ㅇ 데드락(Deadlock) : 여러 스레드가 서로가 끝나기를 기다리는 상황

ㅇ 라이브락(Livelock) : 락을 거는 단계에서 각 스레드가 서로를 방해

||| 실행 모델

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ㅇ 생산자-소비자(Producer-Consumer)

- 생산자 스레드는 대기열에 빈 공간이 있어야 정보를 채운다.

- 소비자 스레드는 대기열에 정보가 있어야 가져온다.

- 둘 다 진행 가능함에도 동시에 서로에게 시그널을 기다릴 가능성 존재

ㅇ 읽기-쓰기(Readers-Writers)

- 양쪽 균형을 잡으면서 동시 갱신 문제를 피하는 해법이 필요

ㅇ 식사하는 철학자들(Dining Philosophers)

- 여러 프로세스가 자원을 얻으려 경쟁한다.

- 주의해서 설계하지 않으면 DeadLock, LiveLock, 처리율 저하, 효율성 저하 등을 겪을 수 있다.

|| 동기화하는 메서드 사이에 존재하는 의존성을 이해하라

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* 공유 객체 하나에는 메서드 하나만 사용하라.

- 공유 객체 하나에 여러 메서드가 필요한 상황에는?

1. 클라이언트에서 잠금 : Client에서 첫 번째 메서드를 호출하기 전에 서버를 잠근다.(마지막 메서드 호출 시 까지)

2. 서버에서 잠금 : 서버에 "서버를 잠그고 모든 메서드를 호출한 후 잠금을 해제하는" 메서드 구현

3. 연결 서버 : 잠금을 수행하는 중간 단계를 생성

|| 동기화하는 부분을 작게 만들어라

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- 여기저기서 synchronized 문을 남발하는 코드는 바람직하지 않다 -> 스레드를 지연시키고 부하를 가중

- 임계영역 개수를 줄인답시고 임계영역 크기를 키우면 스레드 간에 경쟁이 늘어나고 프로그램 성능이 떨어짐

* 동기화하는 부분을 최대한 작게 만들어라.

|| 올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다.

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- 자식 스레드와 부모 스레드가 모두 깔끔하게 종료하는 다중 스레드 코드를 짜야 한다면 시간을 투자하자.

* 종료 코드를 개발 초기부터 고민하고 동작하게 초기부터 구현하라.

|| 스레드 코드 테스트하기

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* 문제를 노출하는 테스트 케이스를 작성하라. 프로그램 설정과 시스템 설정과 부하를 바꿔가며 자주 돌리고

  테스트가 실패하면 원인을 추적하라.

- 고려해야할 사항이 아주 많다.

||| 말이 안 되는 실패는 잠정적인 스레드 문제로 취급하라.

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

* 시스템 실패를 '일회성'이라 치부하지 마라.

||| 다중 스레드를 고려하지 않은 순차 코드부터 제대로 돌게 만들자

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* 스레드 환경 밖에서 생기는 버그와 스레드 환경에서 생기는 버그를 동시에 디버깅하지 마라.

||| 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 다양한 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 있게 구현하라.

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- 다양한 설정으로 실행하기 쉽게 구현해보자

1. 한 스레드로 or 여러 스레드로 실행하거나, 실행 중 스레드 수를 바꿔보자.

2. 스레드 코드를 실제 환경이나 테스트 환경에서 돌려보자.

3. 테스트 코드를 다양한 속도로 돌려보자.

4. 반복 테스트가 가능하도록 테스트 케이스를 작성해보자.

* 다양한 설정에서 실행할 목적으로 다른 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 있게 코드를 구현하라.

||| 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 상황에 맞게 죠율할 수 있게 작성하라.

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- 스레드 개수를 조율하기 쉽게 코드를 구현하자.

- 프로그램이 돌아가는 도중에 혹은 처리율과 효율에 따라 스스로 스레드 개수를 조율하는 코드를 고민해보자.

||| 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌려보자.

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- 시스템이 스레드를 Swapping 하도록 유도해보자. (임계영역, 데드락 문제의 코드를 발견하기 쉬워진다)

||| 다른 플랫폼에서 돌려보자.

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- 다중 스레드 코드는 플랫폼에 따라 다르게 돌아간다.

* 처음부터 그리고 자주 모든 목표 플랫폼에서 코드를 돌려라.

||| 코드에 보조 코드(instrument)를 넣어 돌려라. 강제로 실패를 일으켜보자.

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- 스레드 코드는 오류를 찾기가 쉽지 않다.

- 보조 코드를 추가해 다양한 순서로 실행해보자. 

  각 메서드는 스레드가 실행되는 순서에 영향을 미치므로 버그가 드러날 가능성이 높아진다.

코드에 보조 코드를 추가하는 두 가지 방법

|||| 직접 구현하기

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- 코드에 직접 wait(), sleep(), yield(), priority() 함수를 추가

> 보조 코드 추가 예

public synchronized String nextUrlOrNull() {
    if(hasNext()) {
        String url = urlGenerator.next();
        Thread.yield();  // inserted for testing.
        updateHasNext();
        return url;
    }
    return null;
}

- 보조 코드를 추가하여 실패하였다면, 원래 잘못된 코드가 검증된 것이다.

  하지만, 이 방법에는 여러가지 문제가 있다..

- 스레드를 전혀 모르는 POJO와 스레드를 제어하는 클래스로 프로그램을 분할하면

  보조 코드를 추가할 위치를 찾기 쉬워진다.

- 여러 상황에서 sleep, yield 등으로 POJO를 호출하게 다양한 테스트 jig를 구현할 수도 있다.

|||| 자동화

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- 보조 코드를 자동으로 추가하려면 AOF(Aspect-Oriented Framework), CGLIB, ASM 등의 도구를 사용

> 메서드가 하나인 클래스

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

- 다양한 위치에 ThreadJiglePoint.jiggle() 호출을 해보자.

- 무작위로 sleep이나 yield를 호출. 떄로는 아무 동작도 하지 않음

- ThreadJiglePoint 클래스를 두 가지로 구현해보자.

1. jiggle() 메서드를 비워두고 배포 환경에서 사용, 

   다른 하나는 무작위로 nop, sleep, yield 등을 테스트 환경에서 수행

2. 구현으로 테스트를 수천 번 실행하면 스레드 오류가 드러날지 모른다 !

출처 : 클린 코드 (Robert C. Martin)