[클린코드] 동시성 : 여러 스레드를 동시에 돌리는 이유와 어려움

| 동시성이 필요한 이유
동시성은 결합을 없애는 전략이다.
무엇과 언제를 분리하는 전략이다.
스레드가 하나인 프로그램은 무엇과 언제가 서로 밀접하다
무엇과 언제를 분리하면 애플리케이션의 구조와 효율이 극적으로 나아진다.
어떤 시스템은 응답 시간과 작업 처리량 개선이라는 요구사항으로 인해 직접적인 동시성 구현이 불가피하다.
많은 사용자를 동시에 처리하면 시스템 응답시간을 높일 수 있다.

| 동시성에 대한 미신과 오해
- 동시성은 항상 성능을 높여준다?
동시성을 때때로 성능을 높여준다. 대기시간이 길거나 여러 프로세서가 동시에 처리할 독립적 계산이 많은 경우에만 그렇다.
- 동시성을 구현해도 설계는 변하지않는다?
무엇과 언제를 분리하면 시스템 구조가 크게 달라진다.
- 웹 또는 ejb 컨테이너를 사용하면 동시성을 이해할 필요가 없다?
실제로는 컨테이너가 어떻게 동작하는지 ,어떻게 동시 수정, 데드락등과 같은 문제를 피할 수 있는지 알아야만 한다.

| 동시성과 관련된 타당한 생각
- 동시성은 다소 부하를 유발한다.
- 동시성은 복잡하다
- 일반적으로 동시성 버그는 재현하기 어렵다(-> 일회성 문제로 여겨 무시하기 쉽다)
- 동시성을 구현하려면 흔히 근본적인 설계전략을 재고해야한다.

| 문제
두 스레드가 같은 변수를 동시에 참조할 경우 이상한 결과가 발생될 수 있다.

| 동시성 방어 원칙

[단일 책임 원칙 : SRP]
주어진 메서드,클래스, 컴포넌트를 변경할 이유가 하나여야한다는 원칙.
동시성은 복잡성 하나만으로도 분리할 이유가 충분하다.
# 구현시 고려해야할 점
- 동시성 코드는 독자적인 개발, 변경, 조율 주기가 있다
- 독자적인 난관이 있어 다른 코드에서 겪는 어려움과 다르며 훨씬 어렵다
- 잘못구현한 동시성 코드는 다양한 방식으로 실패한다
> 동시성 코드는 다른 코드와 분리하는게 좋다

[따름 정리 : 자료 범위를 제한하라]
같은 객체를 사용하는 두 스레드 간의 간섭을 막기 위해
객체를 사용하는 코드 내 임계영역을 synchronized 키워드로 보호하라고 권장한다.
> 자료를 캡슐화 하고 공유자료를 최대한 줄여라

[따름 정리 : 자료 사본을 사용하라]
읽기전용 사본을 만들어 사용하도록 하여 동기화를 피할 수 있다면 내부 잠금ㅇ르 얿ㅅ애 절약한 수행 시간이 사본 생성과 가비지 컬렌션에 드는 부하를 상쇄할 가능성이 크다.

[따름 정리 : 스레드는 가능한 독립적으로 구현하라]
자신만의 세상에 존재하는 스레드를 구현하라
다른 스레드와 자료를 공유하지 않고 클라이언트 요청하나를 처리하도록 하면 다른 스레드와 동기화 할 필요가 없으므로 문제를 줄일 수 있다
> 독자적인 스레드로 가능하면 다른 프로세서에서 돌려도 괜찮도록 자료를 독립적인 단위로 분할하라

[라이브러리를 이해하라]
# 고려해야할 점
- 스레드 환경에 안전한 컬렉션을 사용한다
- 서로 무관한 작업 수행시 executor 프레임워크를 사용한다
- 가능하다면 스레드가 블록되지 않는 방법을 사용한다
- 일부 클래스 라이브러리는 스레드에 안전하지 못하다

Cuncurrent Programming in Java - Doug Lea 책을 참고하여
ConcurrentHashMap부터 살펴보자
Java.util.concurrent, java.util.concurrent.atomic, java.util.concurrent.locks 익히기
> 언어가 제공하는 클래스를 검토하라

[실행 모델을 이해하라]
- 한정된 자원
다중 스레드 환경에서 사용하는 자원으로 크기나 숫자가 제한적. ex) db 연결, 길이 일정한 읽기쓰기 버퍼 등
- 상호 배제
한번에 한 스레드만 공유 자료나 공유 자원을 사용할 수 있는경우
- 기아
한 스레드가 여러 스레드가 계속 영원히 자원을 기다린다
예를 들어 항상 짧은 스레드에게 우선순위를 주면 긴 스레드는 기아상태에 빠진다
- 데드락
여러 스레드가 서로가 끝나기를 기다린다. 모든 스레드가 각기 필요한 자원을 다른 스레드가 점유하여 어느쪽도 진행하지 못한다
- 라이브락
락을 거는 단계에서 각 스레드가 서로를 방해한다. 스레드는 계속해서 진행하려 하지만 공명(resonance)으로 인해 영원히 진행하지 못한다

# 생산자 - 소비자
하나 이상 생산자 스레드가 정보를 생성해 버퍼나 대기열에 넣는다
하나 이상 소비자 스레드가 대기열에서 정보를 가져와 사용한다
생산자스레드와 소비자 스레드가 사용하는 대기열은 한정적 자원으로, 대기열에 빈공간이 생길때까지 기다린다.
잘못하면 생산자 스레드와 소비자 스레드가 둘다 진행가능함에도 동시에 서로에게서 시그널을 기다릴 가능성이 존재한다

# 읽기 - 쓰기
읽기 스레드를 위한 주된 정보원으로 공유자원을 사용하지만 쓰기 스레드가 이 공유자원을 이따금 갱신하는경우
처리율이 문제의 핵심이다.
처리율을 강조하면 기아 현상이 생기거나 오래된 정보가 쌓인다
읽기 스레드의 요구와 쓰기 스레드의 요구를 적절히 만족시켜처리율도 적당히 높이고 기아도 방지하는 해법이 필요하다
간단히 읽기 스레드가 없을때까지 쓰기스레드가 버퍼를 기다리는 방법이 있으나 계속 이어진다면 쓰기 스레드는 기아상태에 빠진다.

# 식사하는 철학자들
둥근 식탁에 철학자들이 있을때 각 철학자이 왼쪽에 포크가 있고 생각을하다가 배가 고프면 양쪽 포크를 들어 밥을 먹고 포크가 양손에 있지 않으면 밥을 먹지 못한다고할때
철학자들을 스레드로 생각하고 포크를 자원이라고 생각하면 이는 여러 기업의 앱에서 겪는 문제이다.
> 각 알고리즘을 공부하고 해법을 직접 구현해보라

[동기화하는 메서드 사이에 존재하는 의존성을 이해하라]
동기화 하는 메서드 사이에 의존성이 존재하면 동시성 코드에 찾아내기 어려운 버그가 생긴다.
> 공유 개체 하나에는 메서드 하나만 사용하라
만약 여러 메서드가 필요한 상황이 생기면 다음 세가지 방법을 고려하라
- 클라이언트에서 잠금
클라이언트에서 첫번째 메서드를 호출하기 전에 서버를 잠든다. 마지막 메서드를 호출할 때까지 잠금을 유지한다
- 서버에서 잠금
서버에 ‘서버를 잠그고 모든 메서드를 호출한 후 잠금을 해제’하는 메서드를 구현한다 클라이언트는 이 메서드를 호출한다
- 연결 서버
잠금을 수행하는 중간 단계를 생성한다. ‘서버에서 잠금’ 방식과 유사하지만 원래 서버는 변경하지 않는다

[동기화 하는 부분을 작게 만들어라]
Synchronized문을 남발하지 않되, 임계 영역을 반드시 보호하도록 해야한다
따라서 임계영역 수를 최대한 줄여야한다. 그렇다고 임계영역의 크기를 키우면 스레드 간에 경쟁이 늘어나고 프로그램 성능이 떨어진다

[올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다]
종료코드를 개발 초기부터 고민하고 동작하게 초기부터 구현하라, 생각보다 오래걸린다. 생각보다 어렵다
이미 나온 알고리즘을 검토하라

[스레드 코드 테스트하기]
충분한 테스트로 위험을 낮추자
문제를 노출하는 테스트 케이스를 작성하라
프로그램 설정과 시스템 설정과 부하를 바꿔가며 자주 돌려라

# 고려할 점
- 말이 안되는 실패는 잠정적인 스레드 문제로 취급하라
- 다중스레드를 고려하지 않은 순차 코드부터제대로 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 일으켜라

[말이 안되는 실패는 잠정적인 스레드 문제로 취급하라]
시스템 실패를 일회성이라고 무시해버리면 잘못된 코드 위에 코드가 계속 쌓인다.

[다중 스레드를 고려하지않은 순차코드부터 제대로 돌게 만들자]
스레드 환경 밖에서 생기는 버그와 스레드 환경에서 생기는 버그를 동시에 디버깅하지 마라
스레드 밖에서 코드가 올바로 도는지를 먼저 확인할 것

[다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 다양한 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 있도록 스레드 코드를 구현하라]
스레드 수를 바꿔보고, 실제 환경이나 테스트 환경에서 돌려보고, 테스트 코드의 속도를 조절해보고 반복테스트가 가능하도록 케이스를 작성한다

[다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 상황에 맞춰 조정할 수 있게 스레드 코드를 구현하라]
스레드개수를 조정할 수 있도록 조율이 가능한 코드를 고민해본다

[프로세서 수보다 많은 스레드를 돌려보라]
시스템이 스레드를 스와핑할때도 문제가 발생한다.
스레드를 많이 돌리며 테스트하면 문제가 있는 코드를 더 빨리 찾을 수 있다.

[다른 플랫폼에서 돌려보라]
처음부터 그리고 자주 모든 목표 플랫폼에서 코드를 돌려라

[코드에 보조코드를 넣어 돌려라, 강제로 실패를 일으켜라]
보조코드를 이용해 코드가 실행되는 순서를 바꿔보고 실패할수 있도록 한다
직접 구현하거나 자동화 방법을 이용할 수 있다.
오류를 찾아내기 위해 흔들기(jiggle) 기법을 이용하기도 한다


\ 결론
최대한 깨끗하게 구현해야한다
SRP를 준수하자
동시성 오류를 일으키는 잠정적인 원인을 철저하게 이해하자
사용하는 라이브러리와 기본 알고리즘을 이해한다
보호할 코드 영역을 찾아내는 방법과 특정 코드영역을 잠그는 방법을 이해한다
일회성 문제들도 계속해서 테스트 해본다
시간을 들여 보조코드를 추가하여 오류는 발생시키며 해결해보자.

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참고문헌 ) 클린코드 : 애자일 소프트웨어 장인 정신