Clean Code 12 ~ 13 장

12장 - 창발성

가장 먼저 창발이라는 단어의 뜻부터 알아보자 위키백과에 나온 창발이라는 단어의 정의는 다음과 같습니다.

창발 (創發)또는 떠오름 현상은 하위 계층(구성 요소)에는 없는 특성이나 행동이 상위 계층(전체 구조)에서 자발적으로 돌연히 출현하는 현상이다. 또한 불시에 솟아나는 특성을 창발성(영어: emergent property) 또는 이머전스(영어: emergence)라고도 부른다. 자기조직화 현상, 복잡계 과학과 관련이 깊다.

개인적으로 이해한 창발적 설계를 통해 깔금한 코드를 구현한다는 의미는 저자가 제시한 단순한 설계 규칙(하위 계층)을 통해 돌연히 출현하는 현상 즉, 소프트웨어 설계 품질을 높이는 방법에 대한 글이라는 주제로 12장을 이해했습니다.

 

컨트 벡이 제시한 단순한 서례 네 가지가 소프트웨어 설계 품질을 크게 높여준다고 믿습니다.

• 모든 테스트를 실행한다.
• 중복을 없앤다.
• 프로그래머 의도를 표현한다.
• 클래스와 메서드 수를 최소로 줄인다.

 

위 목록은 위에서 부터 중요도 순입니다.

 

[단순한 설계 규칙 1: 모든 테스트를 실행하라]

문서로는 시스템을 완벽하게 설계했지만, 시스템이 의도한 대로 돌아가는지 검증할 간단한 방법이 없다면, 문서 작성을 위해 투자한 노력에 대한 가치는 인정받기 힘들다.

 

즉, 테스트가 불가능한 시스템은 검증도 불가능하다. 논란의 여지는 있지만, 검증이 불가능한 시스템은 절대 출시하면 안 된다.

 

다행스럽게도, 테스트가 가능한 시스템을 만들려고 애쓰면 설계 품질이 더불어 높다진다. 크기가 작고 목적 하나만 수행하는 클래스가 나온다. 테스트 케이스가 많을수록 개발자는 테스트가 쉽게 코드를 작성한다. 따라서 철저한 테스트가 가능한 시스템을 만들면 더 나은 설계가 얻어진다.

 

결합도가 높으면 테스트 케이스를 작성하기 어렵다. 그러므로, DIP와 같은 원칙을 적용하고, 의존성 주입, 인터페이스, 추상화 등의 도구를 사용해 결합도를 낮추는 것이다. 따라서 설계 품질은 더욱 높아질 수 있다.

 

놀랍게도 테스트 케이스를 만들고 계속 돌려라라는 간단하고 단순한 규칙을 따르면 시스템은 낮은 결합도와 높은 응집력이라는, 객체 지향 방법론이 지향하는 목표를 저절로 달성한다. 즉, 테스트 케이스를 작성하면 설계 품질이 높아진다.

 

 

[단순한 설계 규칙 2~4: 리팩터링]

테스트 케이스를 모두 작성했다면 이제 코드와 클래스를 정리해도 괜찮다. 구체적으로는 코드를 점진적으로 리팩터링 해나간다.

코드를 정리하면서 시스템이 깨질까 걱정할 필요가 없다. 테스트 케이스가 있기 때문이다.

 

2~4 단계는 중복을 제거하고, 프로그래머 의도를 표현하고, 클래스와 메서드 수를 최소로 줄이는 단계이기도 하다.

 

 

[중복을 없애라]

우수한 설계에서 중복은 커다란 적이다. 중복은 추가 작업, 추가 위험, 불필요한 복잡도를 뜻하기 때문이다.똑같은 코드는 당연히 중복이다. 비슷한 코드는 더 비슷하게 고쳐주면 리팩터링이 쉬워진다. 아래 코드처럼 구현 중복도 처리 가능하다.

int size() {}

boolean isEmpty() {
    return 0 == size();
}

위 코드처럼 size() 메서드를 이용하여 중복된 코드를 줄일 수 있다.

 

깔끔한 시스템을 만들려면 단 몇 줄이라도 중복을 제거하겠다는 의지가 필요하다.

 

아래 코드를 통해 살펴보자

public void scaleToOneDimension(
    float desiredDimension, float imageDimension) {
    
    if (Math.abs(desiredDimension - imageDimension) < errorThreshold) return ;

    float scalingFactor = desiredDimension / imageDimension;
    scalingFactor = (float) (Math.floor(scalingFactor * 100) * 0.01f);

    RenderedOp newImage = ImageUtilities.getScaledImage(image, scalingFactor, scalingFactor);
    image.dispose();
    System.gc();
    image = newImage;    
}

public synchronized void rotate(int degrees) {
    RenderedOp newImage = ImageUtilities.getScaledImage(image, scalingFactor, scalingFactor);
    image.dispose();
    System.gc();
    image = newImage;
}

------

public void scaleToOneDimension(
    float desiredDimension, float imageDimension) {
    
    if (Math.abs(desiredDimension - imageDimension) < errorThreshold) return ;

    float scalingFactor = desiredDimension / imageDimension;
    scalingFactor = (float) (Math.floor(scalingFactor * 100) * 0.01f);

    replaceImage(ImageUtilities.getScaledImage(image, scalingFactor, scalingFactor));

public synchronized void rotate(int degrees) {
    replaceImage(ImageUtilities.getRotatedImage(image, degrees));
}

private void replaceImage(RendoredOp newImage) {
    image.dispose();
    System.gc();
    image = newImage;
}

 

 

아주 적은 양이지만 공통적인 코드를 새 메서드로 뽑고 보니 클래스가 SRP를 위반한다. 그러므로 새로 만든 replaceImage 메서드를 다른 클래스로 옮겨도 좋겠다.

이런 소규모 재사용은 시스템 복잡도를 극적으로 줄여준다. 소규모 재사용을 제대로 익혀야 대규모 재사용이 가능하다.

 

TEMPLATE METHOD 패턴은 고차원 중복을 제거할 목적으로 자주 사용하는 기법이다.

아래 코드에서 공통된 로직은 추상 클래스에서 정의하고 다른 특정 로직만 상속받아서 처리하여 중복을 제거할 수 있다.

abstract public class VacationPolicy {
    public void accureVacation() {
        calculateBaseVacationHours();
        alterForLegalMinimums();
        applyTopayroll();
    }

    private void calculateBaseVacationHours() {/* 공통 로직 */};
    abstract protected void alterForLegalMinimums();   // 다른 로직
    private void applyToPayroll() {/* 공통 로직 */};
}

public class USVacationPolicy extends VacationPolicy {
    @Override
    protected void alterForLegalMinimums() {
        // 해당 클래스 로직 작성
    }
}

public class EUVacationPolicy extends VacationPolicy {
    @Override
    protected void alterForLegalMinimums() {
        // 해당 클래스 로직 작성
    }
}

 

 

 

[표현하라]

아마 우리 대다수는 엉망인 코드를 접한 경험이 있을 것이다. 또한 우리 대다수는 엉망인 코드를 내놓은 경험도 있을 것이다.

자신이 이해하는 코드를 짜기는 쉽다. 하지만 나중에 코드를 유지보수할 사람이 이해하기는 쉽지 않을 것이다.

 

소프트웨어 프로젝트 비용 중 대다수는 장기적인 유지보수에 들어간다. 그러므로 코드는 개발자의 의도를 분명히 표현해야 한다. 개발자가 코드를 명백하게 짤수록 다른 사람이 그 코드를 이해하기 쉬워진다. 그래야 결함이 줄어들고 유지보수 비용이 적게 든다.

 

1. 우선 좋은 이름을 선택한다.

• 이름과 기능이 완전히 딴판이 클래스나 함수로 유지보수 담당자를 놀라게 해서는 안 된다.

 

 

2. 클래스 크기를 가능한 줄인다.

• 작은 클래스와 작은 함수는 이름 짓기도 쉽고, 구현하기도 쉽고, 이해하기도 쉽다.

 

 

3. 표준 명칭을 사용한다.

• 디자인 패턴은 의사소통과 표현력 강화가 주요 목적이다.
• 클래스가 COMMAND나 VISITOR와 같은 표준 패턴을 사용해 구현된다면 클래스 이름에 패턴 이름을 넣어준다.
• 그러면 다른 개발자가 클래스 설계 의도를 이해하기 쉬워진다.

 

 

4. 단위 테스트 케이스를 꼼꼼히 작성한다.

• 테스트 케이스는 소위 예제로 보여주는 문서다.
• 다시 말해, 잘 만든 테스트 케이스를 읽어보면 클래스 기능이 한눈에 들어온다.

 

 

하지만 표현력을 높이는 가장 중요한 방법은 노력이다. 흔히 코드만 돌린 후 다음 문제로 직행하는 사례가 너무도 흔하다. 나중에 읽을 사람을 고려해 조금이라도 읽기 쉽게 만들려는 충분한 고민은 거의 찾기 어렵다.

 

하지만, 나중에 코드를 읽을 사람이 바로 자신일 가능성이 높다는 사실을 명심하자. 그러므로 자신의 작품을 조금 더 자랑하자.

함수와 클래스에 조금 더 시간을 투자하자. 더 나은 이름을 선택하고, 큰 함수를 작은 함수 여럿으로 나누고, 자신의 작품에 조금만 더 주의를 기울이자. 주의는 대단한 재능이다.

 

 

[클래스와 메서드 수를 최소로 줄여라]

중복을 제거하고, 의도를 표현하고, SRP를 준수한다는 기본적인 개념도 극단으로 치달으면 득보다 실이 많아진다.

클래스와 메서드 크기를 줄이자고 조그만 클래스와 메서드를 수없이 만드는 사례도 없지 않다.

그래서 이 규칙은 함수와 클래스 수를 가능한 줄이라고 제안한다.

 

가능한 독단적인 견해는 멀리하고 실용적인 방식을 택한다. 목표는 함수와 클래스 크기를 작게 유지하면서 동시에 시스템 크기도 작게 유지하는 데 있다.

하지만 이 규칙은 간단한 설계 규칙 네 개 중 우선순위가 가장 낮다. 다시 말해, 클래스와 함수 수를 줄이는 작업도 중요하지만, 테스트 케이스를 만들고 중복을 제거하고 의도를 표현하는 작업이 더 중요하다는 뜻이다.

 

 

---

 

13장 - 동시성

동시성과 깔끔한 코드는 양립하기 어렵다. 아주 어렵다. 겉으로 보기에는 멀쩡하나 깊숙한 곳에 문제가 있는 다중 스레드 코드도 짜기 쉽다. 이런 코드는 시스템이 부하를 받기 전까지 멀쩡하게 돌아간다.

 

13장에서는 여러 스레드를 동시에 돌리는 이유를 논하고, 여러 스레드를 동시에 돌리는 어려움도 논한다. 이런 어려움에 대처하고 깨끗한 코드를 작성하는 방법도 몇 가지 제안한다. 마지막으로 동시성을 테스트하는 방법과 문제점을 논한다.

 

 

[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. 예를 들어 서블릿은 웹 혹은 EJB 컨테이너라는 우산 아래서 돌아가는데, 이들 컨테이너는 동시성을 부분적으로 관리한다. 웹 요청이 들어올 때마다 웹 서버는 비동기식으로 서블릿을 실행한다. 원칙적으로 각 서블릿 스레드는 다른 서블릿 스레드와 무관하게 자신만의 세상에서 돌아간다. 즉, 서블릿 모델이 제공하는 구조적 이점은 아주 크다.

 

하지만 구조적 개선만을 위해 동시성을 채택하는 건 아니다. 어떤 시스템은 응답 시간과 작업 처리량 개선이라는 요구사항으로 인해 직접적인 동시성 구현이 불가피하다. 예를 들어 단일 스레드 수집기는 웹 소켓에서 입출력을 기다리는 시간이 아주 많다. 한 번에 한 사이트를 방문하는 대신 다중 스레드 알고리즘을 이용하면 수집기 성능을 높일 수 있다.

 

 

 

미신과 오해

위 예시 처럼 동시성이 필요한 상황이 존재한다. 아래는 동시성과 관련한 일반적인 미신과 오해다.

• 동시성은 항상 성능을 높여준다 -> 동시성은 때로 성능을 높여준다. 대기 시간이 아주 길어 여러 스레드가 프로세서를 공유할 수 있거나 , 여러 프로세서가 동시에 처리할 독립적인 계산이 충분히 많은 경우에만 성능이 높아진다.
• 동시성을 구현해도 설계는 변하지 않는다 -> 단일 스레드 시스템과 다중 스레드 시스템은 설계가 판이하게 다른다. 일반적으로 무엇과 언제를 분리하면 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 알아야 한다.

 

 

반대로 아래는 동시성과 관련된 타당한 생각 몇 가지다.

• 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.

 

 

동시성을 구현하기 어려운 이유는 잘못된 결과를 내놓는 경우가 매우 일부라는 점이다.

 

 

 

[동시성 방어 원칙]

1. 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. 동시성을 구현할 때는 다음 몇 가지를 고려한다.

• 동시성 코드는 독자적인 개발, 변경, 조율 주기가 있다.
• 동시성 코드에는 독자적인 난관이 있다. 다른 코드에서 겪는 난관과 다르며 훨씬 어렵다.
• 잘못 구현한 동시성 코드는 벼르이별 방식으로 실패한다. 주변에 있는 다른 코드가 발목을 잡지 않더라도 동시성 하나만으로도 충분히 어렵다.

권장사항 : 동시성 코드는 다른 코드와 분리하라.

 

 

2. 따름 정리 : 자료 범위를 제한하라

객체 하나를 공유한 후 동일 필드를 수정하던 두 스레드가 서로 간섭하므로 예상치 못한 결과를 내놓을 수 있다. 이런 문제를 해결하는 방안으로 공유 객체를 사용하는 코드 내 임계영역을 synchronized 키워드로 보호하라고 권장한다. 

 

이런 이계영역의 수를 줄이는 기술이 중요하다. 공유 자료를 수정하는 위치가 많을수록 다음 가능성도 커진다.

• 보호할 임계영역을 빼먹는다. 그래서 공유 자료를 수정하는 모든 코드를 망가뜨린다.
• 모든 임계영역을 올바로 보호했는지 확인하느라 똑같은 노력과 수고를 반복한다.
• 그렇지 않아도 찾아내기 어려운 버그가 더욱 찾기 어려워진다.

권장사항 : 자료를 캡슐화하라. 공유 자료를 최대한 줄여라.

 

 

3. 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.

공유 객체를 피하는 방법이 있다면 코드가 문제를 일으킬 가능성도 아주 낮아진다.

 

 

 

4. 따름 정리 : 스레드는 가능한 독립적으로 구현하라

자신만의 세상에 존재하는 스레드를 구현하라. 즉, 다른 스레드와 자료를 공유하지 않는다. 각 스레드는 클라이언트 요청 하나를 처리한다. 모든 정보는 비공유 출처에서 가져오며 로컬 변수에 저장한다. 그러면 각 스레드는 세상에 자신만 있는 듯이 돌아갈 수 있다. 다른 스레드와 동기화할 필요가 없으므로.

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

 

 

[라이브러리를 이해하라]

자바 5는 동시성 측면에서 이전 버전보다 많이 나아졌다. 자바 5로 스레드 코드를 구현한다면 다음을 고려하길 바란다.

• 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

java.util.concurrent 패키지가 제공하는 클래스는 다중 스레드 환경에서 사용해도 안전하며, 성능도 좋다. 실제로 ConcurrentHashMap은 거의 모든 상황에서 HashMap보다 빠르다.

아래 클래스를 참고해보자.

ReentrantLock	한 메서드에서 잠그고 다른 메서드에서 푸는 락이다.
Semaphore	전형적인 세마포다. 개수가 있는 락이다.
CountDownLatch	지정한 수만큼 이벤트가 발생하고 나서야 대기 중인 스레드를 모두 해제하는 락이다. 모든 스레드에게 동시에 공평하게 시작할 기회를 준다.

 

권장사항 : 언어가 제공하는 클래스를 검토하라. 자바에서는 java.util.concurrent, java.util.concurrent.atomic, java.util.concurrent.locks를 익혀라.

 

 

 

실행 모델을 이해하라

다중 스레드 애플리케이션을 분류하는 방식은 여러 가지다. 구체적으로 논하기 전에 먼저 몇 가지 기본 용어부터 이해하자.

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 자원을 사용할 수 있는 경우를 가리킨다.
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 서로가 끝나기를 기다린다. 모든 스레드가 각기 필요한 자원을 다른 스레드가 점유하는 바람에 어느 쪽도 더 이상 진행하지 못한다.
라이브락(Livelock)	락을 거는 단계에서 각 스레드가 서로를 방해한다. 스레드는 계속해서 진행하려 하지만, 공명(Resonance)으로 인해, 굉장히 오랫동안 혹은 영원히 진행하지 못한다.

 

다음은 다중 스레드 프로그래밍에서 사용하는 실행 모델 몇 가지를 살펴보자.

 

1. 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 때가지 기다린다.

 

대기열을 올바로 사용하고자 생산자 스레드와 소비자 스레드는 서로에게 시그널을 보내는데, 이때 잘못하면 생산자 스레드와 소비자 스레드가 둘 다 진행 가능함에도 불구하고 동시에 서로에게서 시그널을 기다릴 가능성이 존재한다.

 

 

2. 읽기 - 쓰기

읽기 스레드를 위한 주된 정보원으로 공유 자원을 사용하지만, 쓰기 스레드가 이 공유 자원을 이따금 갱신한다고 하자. 이럴 경우 처리율이 문제의 핵심이다.

 

처리율을 강조하면 기아 현상이 생기거나 오래된 정보가 쌓인다. 갱신을 허용하면 처리율에 영향을 미친다. 대개는 쓰기 스레드가 버퍼를 오랫동안 점유하는 바람에 여러 읽기 스레드가 버퍼를 기다리느라 처리율이 떨어진다.

 

따라서 읽기 스레드의 요구와 스기 스레드의 요구를 적절히 만족시켜 처리율도 적당히 높이고, 기아도 방지하는 해법이 필요하다.

 

간단한 전략은 읽기 스레드가 없을 때가지 갱신을 원하는 쓰기 스레드가 버퍼를 기다리는 방법이다. 하지만, 읽기 스레드가 계속 이어진다면 쓰기 스레드는 기아 상태에 빠진다. 반면 쓰기 스레드에게 우선권을 준 상태에서 쓰기 스레드가 계속 이어진다면 처리율이 떨어진다. 양쪽 균형을 잡으면서 동시 갱신 문제를 피하는 해법이 필요한다.

 

 

3. 식사하는 철학자들

둥근 식탁에 철학자 한 무리가 둘러앉았다. 각 철학자 왼쪽에는 포크가 놓였다. 철학자는 배가 고프면 양손에 포크를 집어들고 스파게티를 먹는다. 양손에 포크를 쥐지 않으면 먹지 못한다. 왼쪽 철학자나 오른쪽 철학자가 포크를 사용하는 중이라면 그쪽 철학자가 먹고 나서 포크를 내려놓을 때까지 기다려야 한다.

 

여기서 철학자를 스레드로, 포크를 자원으로 바꿔 생각해보라. 많은 기업 어플리케이션에서 겪는 문제다. 기업 애플리케이션은 여러 프로세스가 자원을 얻으려 경쟁한다. 주의해서 설계하지 않으면 데드락, 라이브락, 처리율 저하, 효율성 저하 등을 겪는다.

 

일상에서 접하는 대다수 다중 스레드 문제는 (형태가 조금씩 다를지라도) 위 세 범주 중 하나에 속한다. 각 알고리즘을 공부하고 해법을 직접 구현해보라. 그러면 나중에 실전 문제에 부닥쳤을 때 해결이 쉬워질 것이다.

권장사항 : 위에서 설명한 기본 알고리즘과 각 해법을 이해하라

 

 

 

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 확인하길 바란다.

권장사항 : 공유 객체 하나에는 메서드 하나만 사용하라.

 

공유 객체 하나에 여러 메서드가 필요한 상황도 생긴다. 그럴 대는 다음 세 가지 방법을 고려한다.

• 클라이언트 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.
• 연결서버 : 잠금을 수행하는 중간 단계를 생성한다. "서버에서 잠금" 방식과 유사하지만 원래 서버는 변경하지 않는다.

 

 

 

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 여기저기 synchronized 문을 남발하는 코드는 바람직하지 않다.

 

반면, 임계영역(동시 사용을 막아야만 프로그램이 올바로 동작하는 보호받는 코드 영역)은 반드시 보호해야 한다. 따라서 코드를 짤 때는 임계영역 수를 최대한 줄여야 한다.

 

임계영역 개수를 줄인답시고 거대한 임계영역 하나로 구현하는 순진하 프로그래머도 있다. 필요 이상으로 임계영역 크기를 키우면 스레드 간에 경쟁이 늘어나고 프로그램 성능이 떨어진다.

권장사항 : 동기화하는 부분을 최대한 작게 만들어라.

 

 

 

올바른 종료 코드는 구현하기 어렵다.

영구적으로 돌아가는 시스템을 구현하는 방법과 잠시 돌다 깔끔하게 종료하는 시스템을 구현하는 방법은 다른다.

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

 

예를 들어 부모 스레드가 자식 스레드를 여러 개 만든 후 모두가 긑나기를 기다렸다 자원을 해제하고 종료하는 시스템이 있다고 가정하자. 만약 자식 스레드 중 하나가 데드락에 걸렸다면 부모 스레드는 영원히 기다리고, 시스템은 영원히 종료하지 못한다.

 

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

권장사항 : 종료 코드를 개발 초기부터 고민하고 동작하게 초기부터 구현하라. 생각보다 오래 걸린다. 생각보다 어려우므로 이미 나온 알고리즘을 검토하라.

 

 

 

스레드 코드 테스트하기

같은 코드와 같은 자원을 사용하는 스레드가 둘 이상으로 늘어나면 테스트하기 급격하게 복잡해진다.

권장사항 : 문제를 노출하는 테스트 케이스를 작성하라. 프로그램 설정과 시스템 설정과 부하를 바궈가며 자주 돌려라. 테스트가 실패하면 원인을 추적하라. 다시 돌렸더니 통과하더라는 이유로 그냥 넘어가면 절대로 안 된다.

 

 

고려할 사항이 아주 많다는 뜻이다. 아래에 몇 가지 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 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 일으키게 해보라.

 

 

 

1. 말이 안 되는 실패는 잠정적인 스레드 문제로 취급하라.

다중 스레드 코드는 때때로 "말이 안 되는" 오류를 일으킨다. 스레드 코드에 잠입한 버그는 수천, 아니 수백만 번에 한 번씩 드러나기도 한다.

그래서 많은 개발자가 우주선, 하드웨어 문제, 단순한 일회성 문제로 치부하고 무시한다.

일회성 문제란 존재하지 않는다고 가정하는 편이 안전하다. 일회성 문제를 계속 무시한다면 잘못된 코드 위에 코드가 계속 쌓인다.

권장사항 : 시스템 실패를 일회성이라 치부하지 마라.

 

 

 

2. 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. POJO에 넣는 코드는 많을수록 더 좋다.

권장사항 : 스레드 환경 밖에서 생기는 버그와 스레드 환경에서 생기는 버그를 동시에 디버깅하지 마라. 먼저 스레드 환경 밖에서 코드를 올바로 돌려라.

 

 

 

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

 

 

 

4. 다중 스레드를 쓰는 코드 부분을 상황에 맞게 조율할 수 있게 작성하라.

적절한 스레드 개수를 파악하려면 상당한 시행착오가 필요하다. 처음부터 다양한 설정으로 프로그램의 성능 측정 방법을 강구한다.

스레드 개수를 조율하기 쉽게 코드를 구현한다. 프로그램이 돌아가는 도중에 스레드 개수를 변경하는 방법도 고려한다.

프로그램 처리율과 효율에 따라 스스로 스레드 개수를 조율하는 코드도 고민한다.

 

 

 

5. 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌려보라.

시스템이 스레드를 스와핑할 때도 문제가 발생한다. 스와핑을 일으키려면 프로세서 수보다 많은 스레드를 돌린다. 스와핑이 잦을수록 임계영역을 빼먹은 코드나 데드락을 일으키는 코드를 찾기 쉬워진다.

 

 

 

6. 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.

 

 

 

7. 코드에 보조 코드를 넣어 돌려라. 강제로 실패를 일으키게 해보라.

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 버그를 찾아내기가 아주 어렵다.

 

따라서 보조 코드를 추가해 코드가 실행되는 순서를 바꿔준다. 예를 들어 wait(), sleep(), yield(), priority() 등과 같은 메서드를 추가해 코드를 다양한 순서로 실행한다.

 

코드에 보조 코드를 추가하는 방법은 두 가지다.

• 직접 구현하기
• 자동화

 

 

1. 직접 구현하기

코드에다 직접  wait(), sleep(), yield(), priority() 함수를 추가한다. 특별히 까다로운 코드를 테스트할 때 적합하다.

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

 

코드가 실패한다면 yield()를 추가했기 때문이 아니다. 원래 잘못된 코드인데 증거가 드러났을 뿐이다.

하지만 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.

 

 

 

 

2. 자동화

보조 코드를 자동으로 추가하려면 AOF, CGLIB, ASM 등과 같은 도구를 사용한다. 예를 들어 다음은 메서드가 하나인 클래스다.

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

 

여기서 다양한 위치에 ThreadJigglePoint.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 yield등을 테스트 환경에서 수행한다.

 

둘째 구현으로 테스트를 수천 번 실행하면 스레드 오류가 드러날지 모른다. 코드가 수천 번에 이르는 테스트를 통과한다면 나름대로 할 만큼 했다고 말해도 되겠다. 조금 단순한 방법이긴 하지만, 좀 더 복잡한 도구를 사용하기 어렵다면 합리적인 대안으로 나쁘지는 않다.

 

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

 

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.

 

 

 

결론

다중 스레드 코드를 작성한다면 각별히 깨긋하게 코드를 짜야 한다. 주의하지 않으면 희귀하고 오묘한 오류에 직면하게 된다.

 

무엇보다 먼저 SRP를 준수한다. POJO를 사용해 스레드를 아는 코드와 스레드를 모르는 코드를 분리한다. 스레드 코드를 테스트할 때는 전적으로 스레드만 테스트한다. 즉, 스레드 코드는 최대한 집약되고 작아야 한다는 의미다.

 

동시성 오류를 일으키는 잠정적인 원인을 철저히 이해한다. 예를 들어 여러 스레드가 공유 자료를 조작하거나 자원 풀을 공유할 대 동시성 오류가 발생한다. 루프 반복을 끝내거나 프로그램을 깔끔하게 종료하는 등 경계 조건의 경우가 가다로우므로 특히 주의한다.

 

사용하는 라이브러리와 기본 알고리즘을 이해한다. 특정 라이브러리 기능이 기본 알고리즘과 유사한 어떤 문제를 어떻게 해결하는지 파악한다.

 

보호할 코드 영역을 찾아내는 방법과 특정 코드 영역을 잠그는 방법을 이해한다. 잠글 필요가 없는 코드는 잠그지 않는다. 잠긴 영역에서 다른 잠긴 영역을 호출하지 않는다. 그러려면 공유하는 정보와 공유하지 않는 정보를 제대로 이해해야 한다.

공유하는 객체 수와 범위를 최대한 줄인다. 클라이언트에게 공유 상태를 관리하는 책임을 더넘기지 않는다. 필요하다면 객체 설계를 변경해 클라이언트에게 편의를 제공한다.

 

어떻게든 문제는 생긴다. 초반에 드러나지 않는 문제는 일회성으로 치부해 무시하기 십상이다. 소위 일회성 문제는 대개 시스템에 부하가 걸릴 때나 아니면 뜬금없이 발생한다. 그러므로 스레드 코드는 많은 플랫폼에서 많은 설정으로 반복해서 계속 테스트해야 한다.

 

시간을 들여 보조 코드를 추가하면 오류가 드러날 가능성이 크게 높아진다. 직접 구현해도 괜찮고 몇 가지 자동화 기술을 사용해도 괜찮다. 초반부터 보조 코드를 고려한다. 스레드 코드는 출시하기 전까지 최대한 오랫동안 돌려봐야 한다.

 

깔끔한 접근 방식을 취한다면 코드가 올바로 돌아갈 가능성이 극적으로 높아진다.