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211216 sync, async, Parallel, Concurrency, GCD

TIL (Today I Learned)

12월 16일 (목)

학습 내용

• 동시성 프로그래밍 활동학습
• GCD란?  

고민한 점 / 해결 방법

[동시성 프로그래밍 활동학습]

• 동시성(Concurrency) 프로그래밍, 병렬(Parallelism) 프로그래밍은 어떻게 다르며, 우리가 주로 접할 iOS 환경에서는 무엇을 더 고려해봐야 할까?
  • 동시성(Concurreny)
    • 논리적인 용어
    • 동시에 실행되는 것처럼 보임
    • 싱글 코어에서 멀티스레드를 동작시키기 위한 방식
    • 멀티 코어에서도 동시성은 사용가능
    • 멀티태스킹을 위해 여러 스레드가 번갈아가면서 실행되는 성질
    • 동시성을 이용한 싱글 코어의 멀티 태스킹은 각 스레드들이 병렬적으로 실행되는 것처럼 보이지만 사실은 번갈아가면서 조금씩 실행되고 있는 것
  • 병렬성(Parallelism)
    • 물리적인 용어
    • 실제로 작업이 동시에 처리되는 것
    • 멀티코어에서 멀티스레드를 동작시키는 방식
    • 한 개 이상의 스레드를 포함하는 각 코어들이 동시에 실행되는 성질
    • 병렬성은 데이터 병렬성(Data Parallelism)과 작업 병렬성(Task Parallelism)으로 구분
      • 데이터 병렬성 : 전체 데이터를 나누어 서브 데이터들로 만든 뒤, 서브 데이터들을 병렬 처리해서 작업을 빠르게 수행하는 방법이다.
      • 작업 병렬성 : 서로 다른 작업을 병렬 처리하는 것을 말한다.
• 동시성 프로그래밍, 병렬 프로그래밍, 동기(asynchronous)와 비동기(asynchronous)의 개념은 어떤 상관관계를 가질까?
  • 비동기 프로그래밍
    • 프로그램의 주 실행 흐름을 멈추어서 기다리지 않고 다음 작업을 실행할 수 있게 하는 방식이다. 코드의 실행 및 결과 처리를 별도의 공간에 맡겨둔 뒤 그 실행결과를 기다리지 않고 다음 코드를 실행하는 병렬처리 방식이다. 비동기 프로그래밍은 언어 및 프레임워크에서 지원하는 여러 방법으로 구현할 수 있다.
  • 동시성 프로그래밍
    • 논리적인 용어로 동시에 실행되는 것처럼 보이는 방식이다. 싱글 코어에서 멀티스레드를 동작시키기 위한 방식으로 멀티 태스킹을 위해 여러 개의 스레드가 번갈아 가면서 실행되는 방식이다.
  • Async vs Sync
    • Async는 비동기다. 비동기란 내가 작업을 맡기고 실행되는 동안에 나는 또 다른 일을 할 수 있는 것을 뜻한다. 예를 들어 커피를 주문하고 기다리는 동안 아무것도 못하는게 아니라 다른일을 할 수 있는 그런 느낌이다. 반대로 Sync는 해당 작업이 끝날 때까지 기다려야 한다.
• 애플이 동시성 프로그래밍 또는 병렬 프로그래밍을 지원하기 위해 사용하는 기술엔 무엇무엇이 있을까?
  • Grand Central Dispatch(GCD)
    • 멀티 코어와 멀티 프로세싱 환경에서 최적화 된 프로그래밍을 할 수 있도록 애플이 개발한 기술이다.
  • Operation Queue
    • 비동기적으로 실행되어야하는 작업을 객체 지향적인 방법으로 사용한다
  • Thread
    • 스레드는 하나의 프로세스 내에서 실행되는 작업흐름의 단위를 말한다. 보통 한 프로세스는 하나의 스레드를 가지고 있지만 환경에 따라 둘 이상의 스레드를 동시에 실행할 수도 있다. 이러한 방식을 멀티스레딩이라고 한다. 프로그램 실행이 시작될 때부터 동작하는 스레드를 메인 스레드라고 하고 나중에 생성된 스레드를 서브 스레드 또는 세컨더리 스레드라고 한다.
• 프로그래밍에서 Thread는 무엇이고 iOS 환경에서 이를 다루기 위한 방법에는 무엇무엇이 있으며 그 차이는 무엇일까?
  • Thread
    • 스레드는 하나의 프로세스 내에서 실행되는 작업흐름의 단위를 말한다. 보통 한 프로세스는 하나의 스레드를 가지고 있지만 환경에 따라 둘 이상의 스레드를 동시에 실행할 수도 있다. 이러한 방식을 멀티스레딩이라고 한다. 프로그램 실행이 시작될 때부터 동작하는 스레드를 메인 스레드라고 하고 나중에 생성된 스레드를 서브 스레드 또는 세컨더리 스레드라고 한다.
• iOS 환경에서의 동시성 프로그래밍 지원 종류
  • GCD (Grand Central Dispatch) : 멀티 코어와 멀티 프로세싱 환경에서 최적화된 프로그래밍을 할 수 있도록 애플이 개발한 기술이다.
  • Operation Queue : 비동기적으로 실행되어야 하는 작업을 객체 지향적인 방법으로 사용한다
  • Thread : 멀티스레드 프로그래밍을 위한 애플에서 제공하는 스레드 클래스

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[동기 프로그래밍]

• 하드웨어 시스템들은 다 동기에 맞춰 동작한다.
• 서버에 있는 소스를 가져올 때 다 받아올 때 까지 멈춰있는다.

[비동기 프로그래밍]

• 작업을 분리해서 사용해야한다.
• 서버가 있을 것이고 앱은 데이터를 요청해서 화면에 표시하는 형태로 앱이 만들어질 것이다.

[Parallel(병렬) vs Concurrency(동시)]

• 병렬
  • 물리적
  • 물리적 스레드에서 실제 동시에 일을 하는 개념
• 동시
  • 논리적
  • 메인 스레드가 아닌 다른 소프트웨어적인 스레드에서 동시에 일을 하는 개념
• Concurrent Programming
  • 장점
    • UI 화면은 언제나 반응성을 유지해야 한다.
    • 병렬 실행은 더 빠르다
  • 비용
    • 제대로 멀티스레드 코드를 작성하기에 무지막지하게 어렵다.
    • 확장 가능하게 여러 작업을 동시에 처리하는 일반적인 문제들
  • 그럼에도 배워야한다 왜?
    • 병렬성과 동시성이 좋아지는 시대가 왔다.
    • 코어를 늘리는게 대세다.
    • 이제는 스레드를 만드는게 중요한게 아니다.
    • 스레드를 생성하고 재사용하는건 운영체제가 해줄태니까 개발자들은 그 스레드에 해당하는 큐에다가 클로저를 넣어주기만 해 > 큐 단위로 클로저에서 큐에서 꺼내서 클로저들을 스레드에다가 붙여서 그 스레드에 대해서 실행하고 또 처리해줄게.
    • 더 작은 클로저 단위로 큐에다가 코드를 넣어주면 클로저 단위로 꺼내서 어떤 스레드에서 동작하게 만들지를 이제 클로저 단위로 작업 스케줄에서 만들자 라는게 컨셉이다.

[Grand Central Dispatch]

• 커널 위에 바로 만들어져 있다.
• 맥에나 iOS에서는 lib 시스템이라는 프레임워크 안에 들어있다.
• 스레드를 잘 다루는 것이 어렵더라. 잘쓰는 방법을 만들어보자 해서 시작하게 되었다.
• 코드블럭 단위를 클로저로 묶어서 그거를 큐에다 넣고 큐가 그거를 실행하는 이런 구조로 만들자는 의도
• 특장점
  • 반응성을 개선
  • 다이나믹 확장
  • 보다 나은 프로세스 사용
  • 깔끔한 코드
• 스레드를 많이 만드는게 좋은 일이 아니다.
• 적정한 갯수만큼만 cpu 구조에 맞게 운영하는게 좋을탠데, 개발자들이 직접 관리하는 것 보다는 운영체제가 cpu 아키텍처에 맞게 운영하는게 더 좋다 그걸 GCD가 해주겠다. 라는거다.
• 큐를 사용한다.
• 순차적으로 실행되는 구조는 동일하다.
• 이벤트 소싱이 가능해진다.
  • 어떤 이벤트가 발생하면 같은 방식으로해서 인터럽트가 발생했을 때 그 처리도 같은 식의 q에서 처리되는 것처럼 사용할 수 있게 된다.
• 디스패치 소스에 해당하는 것도 있다.
• GCD가 관리하는 Pool이 있다.
• 더 좋은 구조에서는 Pool이 더 많을 수도 있다.
• GCD를 사용하므로써 얻는 이점
  • 효율성
    • 코드가 CPU 사이클을 더 효과적으로
  • 더 나은 표현
    • 선언하기 편한 클로저
    • 프로듀서/컨슈머 관계를 표현하는 큐(Queues)
  • 시스템 수준 관리
    • 서브 시스템에 독립적으로 OS가 관리
  • 기존 스레드 처리나 동기화 방식과 100% 호환 가능
  • GCD 스레드는 POSIX 스레드를 포장
    • GCD 스레드를 cancel, exit, kill, join, or detach 하지마라
  • GCD 스레드를 재사용
    • 클로저 내부에서 스레드별 상태 변화를 복구하라
• 스레드 자체는 GCD가 관리하기 때문에 신경 쓸 필요가 없다.
• 스레드 클래스 예제
• 
• GCD를 사용하면 단 2줄로 줄일 수 있다.
• 
• GCD Advantages
  • Thread recycling
    • 스레드를 재사용하기 때문에 효율성이 좋아진다.
  • Deferred based on availability
• 보호하기 Locking
  • Enforce mutually exclusive access to critical sections
  • Serialize access to shared state between thrads
  • Ensure data integrity
• 
• 위 처럼 lock을 넣어줘야 멀티쓰레드 환경에서 안전한 스레드 세이프 함수가 된다.
• lock이 없으면 순차적으로 접근하는게 보장이 안되기 때문에 어느 순간 동시에 쓸려그러다가 앱이 멈출수도 있다.
• 동시에 쓰려고 했는데 하나를 쓰기전에 다른게 먼저 써줘가지고 값이 깨질 수도 있다.
  • 원하는 표현이 안될 수도 있다.
• GCD를 활용한다면 아래처럼 사용해주면 된다.
• 
• 위 코드 블럭만큼은 한 덩어리로 처리가 된다.
• 한 덩어리로 큐에 들어가기 때문에 충돌 날 일이 없다.
• 위 빨간 박스 아래 코드를 다 실행할 때 까지 동기화가 되서 멈춰져 있다. 실행이 끝나고 나면 아래로 내려간다.
• 
• async가 되면 큐에다가 넣는 작업을 하고 그냥 빠져나간다.
• sync로 하던 async로 하던 클로저 안은 충돌나지 않고 각각의 큐에 있는 클로저가 순서대로 실행되기 때문에 순서가 보장된다.
• 따라서 Lock을 쓰지 않더라도 GCD에서는 Lock을 쓰는 효과가 있다는 것이다.
• 
• 
• 특정한 시간 뒤에 이 코드 블럭을 실행시켜주는 것을 보장해준다.
• 프레임 드랍이 발생할 정도로 메인쓰레드가 바쁘면 이것도 딜레이가 되어 호출이 늦어질 수도 있다.
• 화면처리를 하는게 아니라면 꼭 메인스레드에 넣을 필요없다. 다른 쓰레드에 넣어도 된다.
• 
• ‘나는 백그라운드 어딘가에서 요 코드가 되기만 하면 돼’ 그러면 글로벌 큐에 넣어줄 수도 있다.
• 큐의 종류
  • 동시성 큐
    • Concurrent Queue Execute multiple blocks at the same time
    • Concurrently executed closures may complete out of order
    • Queues execute concurrently with respect to other queues
  • 시리얼 큐
    • Lightweight list of closures
    • Enqueue and dequeue are FiFO
    • Serial queue execute blocks one at a time
• 큐는 기본적으로 직렬성이다.
• 직렬성으로 만들건지 동시성으로 만들건지 선택할 수 있다.
• 아무 옵션을 주지않으면 직렬큐로 만들어지고 글로벌 큐로 만들면 동시성으로 만들어진다.
• 동시성에 있는 큐는 큐가 여러개다.
• 
• DispatchGroup
  • 여러작업들을 할 때 그 작업들이 한꺼번에 그룹핑해서 끝나야지만 다 끝났다라고 판단할 때 사용
• DispatchQoS
  • 우선순위를 정한다. 큐 중에서도 어떤 작업들이 먼저 들어가야될지 말아야 될지를 관리해준다.
• DispatchWorkItemFlags
  • 옵션들을 조정할 수 있다.
• concurrentPerform?
  • 타입메서드
  • for문 처럼 같은 작업을 여러번 반복해야하는 것들, 클로저를 N번 실행해야할 때 사용한다.
• Suspending and resuming execution
  • func suspend()
  • func resume()
• 큐를 사용할 때 유의할 점
  • 일반적인 목적의 데이터 구조가 아니다.
  • GCD에서 사용하기 위한 흐름 제어를 위한 것이다
  • 큐에 블록을 한번 추가하면 반드시 실행된다는 것을 보장해준다.
  • 동기화 sync API를 사용할 때는 조심해야 한다.
    • Dead lock 상태로 멈춰버릴 수 있다.
  • 취소하려면 DispatchWorkItem 또는 OperationQueue
• 
• GCD Design Patterns
  • 쉬운방법
    • Dispatch_async()를 써라
  • 큐는 프로듀서/컨슈머 구조로
    • 클로저가 작업 사이에 데이터를 옮겨준다.
  • 큐는 가볍고 효율적으로
    • 스레드가 자동적으로 생성되거나 재사용된다.
  • UI 이벤트 주도 개발과 비슷함
  • 다른 이벤트를 기다리기 위해서 스레드를 멈추거나 폴링하지 마라
    • 예) 소켓대기, 디렉토리 변화 감시
  • 디스패치 소스 고려
    • 운영체제 이벤트를 감시하거나 요청에 대한 응답을 기다릴 때