[Clean Code] 13장 동시성

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. 반면, 임계영역은 반드시 보호해야 한다. 따라서, 코드를 짤 때는 임계영역 수를 최대한 줄여야 한다.

 

올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다

 

깔끔하게 종료하는 코드는 올바로 구현하기 어렵다. 가장 흔히 발생하는 문제가 데드락이다. 즉, 스레드가 절대 오지 않을 시그널을 기다린다.

깔끔하게 종료하는 다중 스레드 코드를 짜야 한다면 시간을 투자해 올바로 구현하기 바란다.

 

스레드 코드 테스트하기

코드가 올바르다고 증명하기는 현실적으로 불가능하다. 테스트가 정확성을 보장하지 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.

고려할 사항이 아주 많다는 뜻이다. 아래에 몇 가지 구체적인 지침을 제시한다.

• 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 쓰는 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 파악하려면 상당한 시행착오가 필요하다.
• 프로세스 수보다 많은 스레드를 돌려보라.
  • 스와핑이 잦을수록 임계영역을 빼먹은 코드나 데드락을 일으키는 코드를 찾기 쉬워진다.
• 다른 플랫폼에서 돌려보라.
  • 처음부터 그리고 자주 모든 목표 플랫폼에서 코드를 돌려라.
• 코드에 보조 코드를 넣어 돌려라. 강제로 실패를 일으키게 해보라.
  • 스레드 코드는 오류를 찾기가 쉽지 않다. 몇 시간, 며칠, 혹은 몇 주가 지나서야 한 번씩 모습을 드러낸다.
  • 실패하는 경로가 실행될 확률은 극도로 저조하다. 그래서 버그를 발견하고 찾아내기가 아주 어렵다.
  • 보조코드를 추가해 코드가 실행되는 순서를 바꿔주면 자주 오류를 발생 시킬 수 있다. Object.wait(), Object.sleep(), Object.yield(), Object.priority() 등과 같은 메서드 추가.
  • 잘못된 코드라면 가능한 초반에 그리고 가능한 자주 실패하는 편이 좋다. ( 직접 구현하기, 자동화)
    • 직접 구현하기
      • 코드에다 직접 wait(), sleep(), yield(), priority() 함수를 추가한다.

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

yield()를 삽입하면 코드가 실행되는 경로가 바뀐다. 그래서 이전에 실패하지 않았던 코드가 실패할 가능성을 열어준다. 이 방법에는 여러 가지 문제가 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 드러나지 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, yield등으로 POJO를 호출하게 다양한 테스트 지그를 구현할 수도 있다.

 

자동화

 

보조 코드를 자동으로 추가하려면 AOF(Aspect-Oriented Framework), CGLIB, ASM 등과 같은 도구를 사용한다. 예를 들어, 다음은 메서드가 하나인 클래스다.

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

여기서 다양한 위치에 TreadJigglePoint.jiggle() 호출을 추가한다. 

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

ThreadJigglePoint.jiggle(); 호출은 무작위로 sleep이나 yield를 호출한다. 때로는 아무 동작도 하지 않는다.

    ThreadJigglePoint 클래스를 두 가지로 구현하면 편리하다. 하나는 jiggle() 메서드를 비워두고 배포 환경에서 사용한다.      다른 하나는 무작위로 nop, sleep이나 yield 등을 테스트 환경에서 수행한다.

IBM이 개발한 ConTest라는 도구가 있는데, 유사하게 동작하지만 좀 더 복잡하다.

 

코드를 흔드는(jiggle) 이유는 스레드를 매번 다른 순서로 실행하기 위해서다. 좋은 테스트 케이스와 흔들기 기법은 오류가 드러날 확률을 크게 높여준다.

 

 

결론

다중 스레드 코드는 올바로 구현하기 어렵다. 간단했던 코드가 여러 스레드와 공유 자료를 추가하면서 악몽으로 변한다. 다중 스레드 코드를 작성한다면 각별히 깨끗하게 코드를 짜야 한다. 주의하지 않으면 희귀하고 오묘한 오류에 직면하게 된다.

1. SRP를 준수한다. POJO를 사용해 스레드를 아는 코드와 스레드를 모르는 코드를 분리한다. 스레드 코드는 최대한 집약되고 작아야 한다는 의미다.
2. 동시성 오류를 일으키는 잠정적인 원인을 철저히 이해한다.
3. 사용하는 라이브러리와 기본 알고리즘을 이해한다.
4. 보호할 코드 영역을 찾아내는 방법과 특정 코드 영역을 잠그는 방법을 이해 한다.
5. 어떻게든 문제는 생긴다. 소위 일회성 문제는 대개 시스템에 부하가 걸릴 때나 아니면 뜬금없이 발생한다. 그러므로 스레드 코드는 많은 플랫폼에서 많은 설정으로 반복해서 계속 테스트해야 한다. 테스트 용이성은 TDD 3대 규칙을 따르면 자연히 얻어진다.
6. 스레드 코드는 출시하기 전까지 최대한 오랫동안 돌려봐야 한다.