진소희

1. 📌 핵심 개념 정리

✅ 요약하기

동시성과 깔끔한 코드는 양립하기 어렵다.

1. 동시성이 필요한 이유?
   • 동시성은 결합을 없애는 전략이다. 즉, 무엇과 언제를 분리하는 전략이다. 스레드가 하나인 프로그램은 무엇과 언제가 서로 밀접하다.
   • 무엇과 언제를 분리하면 애플리케이션 구조와 효율이 극적으로 나아진다. 따라서 시스템을 이해하기가 쉽고 문제를 분리하기도 쉽다.
   • 예를 들어, 웹 애플리케이션이 표준으로 사용하는 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.
   • 다른 예시로, 매일 수많은 웹 사이트에서 정보를 가져와 요약하는 정보 수집기를 생각해보자. 만약 수집기가 단일 스레드 프로그램이라면 한 번에 한 웹 사이트를 방문해 정보를 가져오며, 이 과정에서 한 사이트를 끝내야 다른 사이트로 넘어잔다. 매일 실행하므로 24시간 안에 끝내야 한다. 그런데 웹 사이트를 계속 추가하면 정보를 수집하는 시간도 늘어나므로 결국은 24시간을 넘긴다.
   • 또 다른 예시로, 한 번에 한 사용자를 처리하는 시스템이 있다고 가정하자. 한 사용자를 처리하는 시간은 1초다. 사용자가 소수라면 시스템이 아주 빨리 반응한다. 하지만 사용자 수가 늘어날수록 시스템이 응답하는 속도도 늦어진다.
   • 미신과 오해
     • 이렇듯 반드시 동시성이 필요한 상황이 존재한다. 하지만, 동시성은 어렵다.
     • 동시성은 항상 성능을 높여준다: 동시성은 때로 성능을 보여준다. 대기 시간이 아주 길어 여러 스레드가 프로세서를 공유할 수 있거나, 여러 프로세서가 동시에 처리할 독립적인 계산이 충분히 많은 경우에만 성능이 높아진다. 어느 쪽도 일상적으로 발생하는 상황은 아니다.
     • 동시성을 구현해도 설계는 변하지 않는다 : 단일 스레드 시스템과 다중 스레드 시스템은 설계가 판이하게 다르다. 일반적으로 무엇과 언제를 분라하면 시스템 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.
   • 동시성은 다소 부하를 유발한다 : 성능 측면에서 부하가 걸리며, 코드도 더 짜야 한다
   • 동시성은 복잡하다 : 간단한 문제라도 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.

2. 난관
   • 동시성을 구현하기 어려운 이유는 무엇일까?
   • 두 스레드가 같은 변수를 동시에 참조하면 놀라운 결과가 발생한다.
   • 두 스레드가 자바 코드 한 줄을 거쳐가는 경로는 수없이 많은데, 그 중에서 일부 경로가 잘못된 결과를 내놓기 때문이다.

3. 동시성 방어 원칙
   • 단일 책임 원칙
     • SRP는 주어진 메서드/클래스/컴포넌트를 변경할 이유가 하나여야 한다는 원칙이다. 동시성은 복잡성 하나만으로도 따로 분리할 이유가 충분하다.
     • 즉, 동시성 관련 코드는 다른 코드와 분리해야 한다는 뜻이다.
     • 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: 자료 범위를 제한하라
     • 객체 하나를 공유한 후 동일 필드를 수정하는 두 스레드가 서로 간섭하므로 예상치 못한 결과를 내놓기 때문에, 이러한 문제를 해결하는 방안으로 공유 객체를 사용하는 코드 내 임계영역을 synchronized 키워드로 보호하라고 권장한다.
     • 공유자료를 수정하는 위치가 많을수록 다음 가능성이 커진다.
       • 보호할 임계영역을 빼먹는다. 그래서 공유 자료를 수정하는 모든 코드를 망가뜨린다.
       • 모든 임계영역을 올바로 보호했는지(DRY 위반) 확인하느라 똑같은 노력과 수고를 반복한다.
       • 그렇지 않아도 찾아내가 어려운 버그가 더욱 찾기 어려워진다.
     • 권장사항: 자료를 캡슐화하라. 공유자료를 최대한 줄여라.
   • 따름 정리: 자료 사본을 사용하라
     • 공유 자료를 줄이려면 처음부터 공유하지 않는 방법이 제일 좋다. 어떤 경우에는 객체를 복사해 읽기 전용으로 사용하는 방법이 가능하다. 어떤 경우에는 각 스레드가 객체를 복사해 사용한 후 한 스레드가 해당 사본에서 결과를 가져오는 방법도 가능하다.
     • 사본으로 동기화를 피할 수 있다면 내부 잠금을 없애 절약한 수행 시간이 사본 생성과 가비지 컬렉션에 드는 부하를 상쇄할 가능성이 크다.
   • 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.
     • 권장사항: 독자적인 스레드로, 가능하면 다른 프로세서에서, 돌려도 괜찮도록 자료를 독립적인 단위로 분할하라.

4. 라이브러리를 이해하라
   • 자바 5는 동시성 측면에서 이전 버전보다 많이 나아졌다. 자바 5로 스레드 코드를 구현한다면 다음을 고려
     • 스레드 환경에 안전한 컬렉션을 사용한다. 자바 5부터 제공한다
     • 서로 무관한 작업을 수행할 때는 executor 프레임워크를 사용한다
     • 가능하다면 스레드가 차단되지 않는 방법을 사용한다
     • 일부 클래스 라이브러리는 스레드에 안전하지 못하다
   • 스레드 환경에 안전한 컬렉션
     • 더그 리가 책을 집팔하면서 스레드에 사용해도 안전한 컬렉션 클래스 몇 개를 구현했는데, 나중에 java.util.concurrent 패키지에 추가되었다. 해당 패키지가 제공하는 클래스는 다중 스레드 환경에서 사용해도 안전하며, 성능도 좋다. 실제로 ConcurrentHashMap은 거의 모든 상황에서 HashMap보다 빠르다. 동시 읽기/쓰기를 지원하며, 자주 사용하는 복합 연산을 다중 스레드 상에서 안전하게 만든 메서드로 제공한다.
   • 권장사항: 언어가 제공하는 클래스를 검토하라. 자바에서는 java.util.concur-rent, java.util.concurrent.atomic, java.util.concurrent.locks를 익혀라.

5. 실행 모델을 이해하라
   • 다중 스레드 애플리케이션을 분류하는 방식은 여러가지다. 기본 용어부터 익히자.
     • 한정된 자원(Bound Resource): 다중 스레드 환경에서 사용하는 자원으로, 크기나 숫자가 제한적이다. 데이터베이스 연결, 길이가 일정한 읽기/쓰기 버퍼 등이 예다.
     • 상호 배제(Mutual Exclusion): 한 번에 한 스레드만 공유 자료나 공유 리소스를 사용할 수 있는 경우를 말한다.
     • 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(Deadlock): 여러 스레드가 서로 끝나기만을 기다리는 상황이다. 모든 스레드가 각자 필요한 자원을 다른 스레드가 점유하는 바람에 어느 쪽도 더 이상 동작하지 않는다.
     • 라이브락(Livelock): 락을 거는 단계에서 다른 스레드가 서로를 방해한다. 스레드는 계속해서 진행하려 하지만 공명(resonance) 으로 인해 굉장히 오랫동안 혹은 영원히 진행하지 못한다.
   • 생산자-소비자
     • 하나 이상 생산자 스레드가 정보를 생성해 버퍼나 대기열에 넣는다. 하나 이상 소비자 스레드가 대기열에서 정보를 가져와 사용한다.
     • 생산자 스레드와 소비자 스레드가 사용하는 대기열은 한정된 자원이다.
     • 생산자 스레드는 대기열에 빈 공간이 있어야 정보를 채운다. 즉, 빈 공간이 생길 때까지 기다린다. 소비자 스레드는 대기열에 정보가 있어야 가져온다. 즉, 정보가 채워질 때까지 기다린다.
     • 생산자 스레드는 대기열에 정보를 채운 다음 소비자 스레드에게 대기열에 정보가 잇다는 시그널을 보낸다. 소비자 스레드는 대기열에서 정보를 읽어들이 후 대기열에 빈 공간이 있다는 시그널을 보낸다.
     • 따라서 잘못하면 생산자 스레드와 소비자 스레드가 둘 다 진행 가능함에도 불구하고 동시에 서로에게서 시그널을 기다릴 가능성이 존재한다.
   • 읽기-쓰기
     • 읽기 쓰레드를 위한 주된 정보원으로 공유 자원을 사용하지만, 쓰기 스레드가 이 공유 자원을 이따금 갱신한다고 하자. 이런 경우 처리율이 문제의 핵심이다.
     • 처리율을 강조하면 기아현상이 생기거나 오래된 정보가 쌓인다. 갱신을 허용하면 처리율에 영향을 미친다. 쓰기 스레드가 버퍼를 갱신하는 동안 읽기 쓰레드가 버퍼를 읽지 않으려면, 마찬가지로 읽기 스레드가 버퍼를 읽는 동안 쓰기 스레드가 버퍼를 갱신하지 않으려면, 복잡한 균형잡기가 필요하다. 대개는 쓰기 스레드가 버퍼를 오랫동안 점유하는 바람에 여러 읽기 스레드가 버퍼를 기다리느라 처리율이 떨어진다.
     • 따라서 읽기 스레드의 요구와 쓰기 스레드의 요구를 적절히 만족시켜 처리율도 적당히 높이고 기아도 방지하는 해법이 필요하다. 간단한 전략은 읽기 스레드가 없을 때까지 갱신을 원하는 쓰기 스레드가 버퍼를 기다리는 방법이다. 하지만 읽기 스레드가 계속 이어진다면 쓰기 스레드는 기아 상태에 빠진다.
   • 식사하는 철학자들
     • 둥근 식탁에 철학자 한 무리가 둘러앉았다. 각 철학자 왼쪽에는 포크가 놓였다. 식탁 가운데는 커다란 스파게티 한 접시가 놓였다. 철학자들은 배가 고프지 않으면 생각하며 시간을 보낸다. 배가 고프면 양손에 포크를 집어들고 스파게티를 먹는다. 양손에 포크를 쥐지 않으면 먹지 못한다. 왼쪽 철학자나 오른쪽 철학자가 포크를 사용 중이라면 그쪽 철학자가 먹고 나서 포크를 내려놓을 때까지 기다려야 한다. 스파게티를 먹고 나면 포크를 내려놓고 배가 고플 때까지 다시 생각에 잠긴다.
     • 여기서 철학자를 스레드로, 포크를 자원으로 바꿔 생각해보자. 많은 기업 애플리케이션에서 겪는 문제다.
   • 권장사항: 위에서 설명한 기본 알고리즘과 각 해법을 이해하라.

6. 동기화하는 메서드 사이에 존재하는 의존성을 이해하라
   • 동기화하는 메서드 사이에 의존성이 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.
   • 공유 객체 하나에 여러 메서드가 필요한 상황이 생긴다. 그럴때는 다음 세가지 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 서버 - 잠금을 수행하는 중간 단계를 생성한다. 서버에서 잠금 방식과 유사하지만 원래 서버는 변경하지 않는다.

7. 동기화하는 부분을 작게 만들어라
   • 자바에서 synchronized 키워드를 사용하면 락을 설정한다. 같은 락으로 감싼 모든 코드 영역은 한 번에 한 스레드만 실행이 가능하다.
   • 락은 스레드를 지연시키고 부하를 가중시킨다. 그러므로 여기저기서 synchronized 문을 남발하는 코드는 바람직하지 않다.
   • 반면, 임계영역은 반드시 보호해야 한다. 따라서, 코드를 짤 때는 임계영역 수를 최대한 줄여야 한다.
   • 권장사항: 동기화하는 부분을 최대한 작게 만들어라

8. 올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다
   • 영구적으로 돌아가는 시스템을 구현하는 방법과 잠시 둘다 깔끔하게 종료하는 시스템을 구현하는 방법은 다르다.
   • 깔끔하게 종료하는 코드는 올바로 구현하기 어렵다. 가장 흔히 발생하는 문제가 데드락이다.
   • 권장사항: 종료 코드를 개발 초기부터 고민하고 동작하게 초기부터 구현하라. 생각보다 오래 걸린다. 생각보다 어려우므로 이미 나온 알고리즘을 검토하라.

9. 스레드 코드 테스트하기
   • 코드가 올바르다고 증명하기는 현실적으로 불가능하다. 테스트가 정확성을 보장하지는 않는다. 그럼에도 충분한 테스트는 위험을 낮춘다. 스레드가 하나인 프로그램은 지금까지 한 말이 모두 옳다. 그런데 같은 코드와 같은 자원을 사용하는 스레드가 둘 이상으로 늘어나면 상황은 급격하게 복잡해진다.
   • 권장사항: 문제를 노출하는 테스트 케이스를 작성하라. 프로그램 설정과 시스템 설정과 부하를 바꿔가며 자주 돌려라. 테스트가 실패하면 원인을 추적하라. 다시 돌렸더니 통과하더라는 이유로 그냥 넘어가면 절대로 안된다.
   • 고려사항이 아주 많다는 뜻이다. 아래에 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 잇도록 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 일으키게 해보라.
   • 말이 안 되는 실패는 잠정적인 스레드 문제로 취급하라.
     • 다중 스레드 코드는 때때로 말이 안되는 오류를 일으킨다. 스레드 코드에 잠입한 버그는 수천, 아니 수백만 번에 한 번씩 드러나기도 한다. 이런 일회성 문제를 계속 무시한다면 잘못된 코드 위에 코드가 계속 쌓인다.
     • 권장사항: 시스템 실패를 일회성이라 치부하지 마라.
   • 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.
     • 권장사항: 스레드 환경 밖에서 생기는 버그와 스레드 환경에서 생기는 버그를 동시에 디버깅하지 마라. 먼저 스레드 환경 밖에서 코드를 올바로 돌려라.
   • 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 다양한 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 잇도록 스레드 코드를 구현하라.
     • 다중 스레드를 쓰는 코드를 다양한 설정으로 실행하기 쉽게 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.
     • 권장사항: 다양한 설정에서 실행할 목적으로 다른 환경에 쉽게 끼워 넣을 수 있게 코드를 구현하라.
   • 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 상황에 맞춰 조정할 수 있게 작성하라.
   • 적절한 스레드 개수를 파악하려면 상당한 시행착오가 필요하다. 처음부터 다양한 설정으로 프로그램의 성능 측정 방법을 강구한다. 스레드 개수를 조율하기 쉽게 코드를 구현한다.
   • 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌려보라.
   • 시스템이 스레드를 스와핑할 때도 문제가 발생한다. 스와핑을 일으키려면 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌린다.
   • 스와핑이 잦을 수록 임계영역을 빼먹은 코드나 데드락을 일으키는 코드를 찾기 쉬워진다.
   • 다른 플랫폼에서 돌려보라.
   • 다중 스레드 코드는 플랫폼에 따라 다르게 돌아간다. 따라서 코드가 돌아갈 가능성이 있는 플랫폼 전부에서 테스트를 수행해야 마땅하다.
   • 권장사항: 처음부터 그리고 자주 모든 목표 플랫폼에서 코드를 돌려라.
   • 코드에 보조 코드를 넣어 돌려라. 강제로 실패를 일으키게 해보라.
     • 흔히 스레드 코드는 오류를 찾기가 쉽지 않다. 간단한 테스트로는 버그가 드러나지 않는다.
     • 스레드 버그가 산발적이고 우발적이고 재현이 어려운 이유는 코드가 실행되는 수천 가지 경로 중에 아주 소수만 실패하기 때문이다. 즉, 실패하는 경로가 실행될 확률은 극도로 저조하다. 그래서 찾아내기 어렵다.
     • 이러한 오류를 좀 더 자주 일으킬 방법은 없을까? 보조 코드를 추가해 코드가 실행되는 순서를 바꿔준다.
     • 각 메서드는 스레드가 실행되는 순서에 영향을 미친다. 따라서 버그가 드러날 가능성도 높아진다. 잘못된 코드라면 가능한 초반에 그리고 가능한 자주 실패하는 편이 좋다. 코드에 보조 코드를 추가하는 방법은 두가지다.
       • 직접 구현하기
         • 코드에다 직접 wait(), sleep(), yield(), priority() 함수를 추가한다. 특별히 까다로운 코드를 테스트할 때 적합하다.
       • 자동화
         • 보조 코드를 자동으로 추가하려면 AOF, CGLIB, ASM 등과 같은 도구를 사용한다.
         • 코드를 흔드는 이유는 스레드를 매번 다른 순서로 실행하기 위해서다. 좋은 테스트 케이스와 흔들기 기법은 오류가 드러날 확률을 크게 높여준다.
         • 권장사항: 흔들기 기법을 사용해 오류를 찾아내라.

2. 🤔 이해가 어려운 부분

🔍 질문하기

책을 읽으며 이해하기 어려웠던 개념이나 명확하지 않았던 내용을 정리합니다.

1. 동시성 방어 원칙

   • 어려웠던 부분
     DRY 위반
   • 이해한 점
     • 같은 코드를 반복하지 말자는 소프트웨어 개발의 기본적인 원칙.
     • DRY 위반하면 코드를 수정할 때 중복된 모든 곳을 다 찾아서 고쳐야 하고, 한 곳만 수정하면 다른 부분은 여전히 이전 상태라 버그가 생길 수 있다. 또한 코드가 지저분하고 유지보수가 어려워져요.

2. 스레드 코드 테스트하기

   • 어려웠던 부분
     • 스와핑
   • 이해한 점
     • 두 변수의 값을 서로 바꾸는 것

       int a = 5;
       int b = 10;
       
       // 스와핑
       int temp = a;
       a = b;
       b = temp;
       
       System.out.println("a = " + a); // 10
       System.out.println("b = " + b); // 5
       

3. 스레드 코드 테스트하기

   • 어려웠던 부분
     • 보조 코드
   • 이해한 점
     • 주된 로직(기능)을 돕기 위해 작성한 추가 코드
     • 테스트나 특정 기능을 검증하기 위해 임시로 작성한 코드도 포함
     • System.out.println("현재 스레드: " + Thread.currentThread().getName());
     • Thread.sleep(1000);