Concurrency1 : GCD, Operation

Concurrency Programming, 동시성 프로그래밍

• 동시성 프로그래밍은 여러 개의 스레드를 이용하여 동시에 여러 작업을 처리합니다.
• 동시성 프로그래밍은 싱글 코어에서도 가능한 논리적인 개념입니다. 
• Swift로 동시성 프로그래밍을 구현하는 방법으로는 completion handler, GCD, Operation, Structed Concurrency가 있다

 

Parallel Programming, 병렬 프로그래밍

• 병렬 프로그래밍은 여러 개의 CPU(코어)가 하나의 작업(Task)을 분담해서 처리하는 것
• 물리적인 개념으로 CPU(코어)가 여러 개 있을 때에 가능
• 병렬 프로그래밍은 다중 코어를, 동시성 프로그래밍은 다중 스레드를 활용하는 것이며 이 둘은 동시에 일어날 수도 있습니다.

 

Serial Programming, 직렬성 프로그래밍

• 직렬성 프로그래밍은 단 하나의 스레드에서만 작업을 하는 것입니다.
• 동시에 작업을 처리하지 못하고, 순서대로 작업을 처리해야합니다.

 

Synchronous, 동기

• 동기 프로그래밍은 작업이 끝나기를 기다리는 것입니다.
• A라는 코드 블록을 동기로 처리했다면 A라는 코드의 실행이 완전히 끝이나야 다음 코드로 넘어간다.

 

Asynchronous, 비동기

• 반대로 비동기 프로그래밍은 작업이 끝나기를 기다리지 않고, 다음 코드 블록을 바로 실행시키는 코드입니다. 
• A, B라는 작업이 나열되어 있고 A를 비동기 처리해주었을 때 A를 기다리지 않고 바로 B 작업을 시작한다.
• 동기와 비동기는 실행 종료 시점을 알 수 있는가에 대한 차이로 이어집니다.
• 동기로 처리되는 작업은 무조건 작업이 종료되길 기다리게 되니 작업이 종료된 후에 할 일을 정해줄 수 있습니다. 하지만 비동기의 경우에는 언제 작업이 종료되는지를 알 수 없습니다.

 

동시성 vs 비동기

• 동시성 비동기는 완전히 다른 개념
• 동시성: Serial이냐, Concurrent인가는 스레드가 단일 스레드인가, 다중 스레드인가의 구분
• 동기/비동기: 스레드의 수와는 무관하게 작업이 끝나기를 기다리냐, 기다리지 않느냐의 구분
• Serial 환경에서 비동기로 처리할 수도 있고, 동기로 처리할 수 있고 Concurrent 환경에서 동기로 처리할 수 있고, 비동기로도 처리할 수 있다

 

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Grand Central Dispatch (GCD) = Dispatch Framework

Grand Central Dispatch

• Dispatch (=GCD) 는 멀티코어 하드웨어에서 동시성 코드 실행을 위한 언어 기능, 런타임 라이브러리, 시스템 기능이 포함된 프레임워크이다.
• Dispatch 프레임워크에는 DispatchQueue, DispatchWorkItem, DispatchGroup, DispatchQoS, DispatchSource, DispatchSemaphore 등 동시성 프로그래밍 작업 처리를 위한 다양한 타입들이 구현되어 있다. 

 

DispatchQueue

• 테스크를 단일 또는 다중 스레드에서 직렬 또는 동시 실행할지 관리하는 FIFO 큐
• DispatchQueue에 작업을 넘길 때 2가지를 정해주어야 한다
  • 단일 스레드를 사용할 것인가, 다중 스레드를 사용할 것인가(Serial/Concurrent)
  • 동기로 작업을 처리할 것인가, 비동기로 작업을 처리할 것인가(sync/async)
• DispatchQueue.main과 DispatchQueue.global()은 이미 만들어져있는 큐로 각각 Serial, Concurrent 큐

// 단일스레드, 동기
DispatchQueue.main.sync {}
DispatchQueue(label: "Serial").sync {}

// 다중 스레드, 동기
DispatchQueue.global().sync {}
DispatchQueue(label: "Concurrent", attributes: .concurrent).sync {}

// 단일스레드 비동기
DispatchQueue.main.async {}
DispatchQueue(label: "Serial").async {}

// 다중 스레드 비동기
DispatchQueue.global().async {}
DispatchQueue(label: "Concurrent", attributes: .concurrent).async {}

 

main Thread

• 앱이 실행되는 동안에는 늘 메모리에 올라와있는 기본 스레드로 전역적으로 사용이 가능하다.
• 메인 스레드에서 동작하는 Run Loop를 Main Run Loop라고 한다.
• UIKit의 대부분의 요소들은 Thread Unsafe 하므로 Race Condition이 발생할수 있다.
  따라서, 모든 UI 작업들은 Serial Queue인 Main Thread로 가져와 Main RunLoop에 따라 UI를 그리도록 함/
  이러한 주기를 View Drawing Cycle 이라고한다.
• main 스레드에서 main.sync를 직접 호출하면 안된다.
  main 스레드는 Serial Queue이므로 main 스레드는 main.sync가 끝나기를, main.sync는 main 스레드의 Block-wait이 끝나기를 기다리는 deadlock(교착상태) 상태가 되어버리기 때문.
• main 스레드에 비동기(async) 작업을 실행하는경우, 단일 스레드에서만 작업이 이루어지고 있기 때문에 비동기 작업이더라도 동시에 작업이 처리되지는 못하고 순서대로 작업이 처리

 

DispatchWorkItem

DispatchQueue에서 코드 블록을 호출하는데에 있어서 DispatchWorkItem을 활용하여 코드 블록을 캡슐화가능

정의된 DispatchWorkItem는 sync와 async 메서드의 execute 파라미터를 통해 전달

let yellow = DispatchWorkItem {
    for _ in 1...5 {
        print("yellow")
        sleep(1)
    }
}

let blue = DispatchWorkItem {
    for _ in 1...5 {
        print("blue")
        sleep(1)
    }
}

DispatchQueue.main.async(execute: yellow)
DispatchQueue.global().sync(excute: blue)

 

QoS, Quality of Service

• 무엇에 더 많은 리소스를 사용할지에 대한 우선순위 (무엇을 먼저 처리할지 우선 순위가 아니다)
• 시스템은 QoS 정보를 통해 스케쥴링, CPU 및 I/O 처리량, 타이머 대기 시간 등의 우선 순위를 조정
• 우선 순위가 높을 수록 더 많은 전력을 소모

 

DispatchGroup

• DispatchGroup은 비동기적으로 처리되는 작업들을 그룹으로 묶어, 그룹 단위로 작업 상태를 추적할 수 있는 기능

// 사용방법1 : enter, leave를 사용하는 경우
let group1 = DispatchGroup()
group1.enter()
DispatchQueue.main.async {
	// 비동기작업
}
DispatchQueue.global().async {
	// 비동기작업
}
group1.leave()

// 사용방법2 : enter, leave를 사용하지 않는 경우
let group2 = DispatchGroup()
DispatchQueue.main.async(group: group2) {
	// 비동기작업
}
DispatchQueue.global().async(group: group2) {
	// 비동기작업
}

• notify() : notify 메서드에 의해 group의 모든 작업이 끝나기를 기다렸다가 코드 블록을 실행, 이때 notify의 파라미터 queue는 코드블록을 실행시킬 queue를 지정
• wait() : wait는 DispatchGroup의 수행이 끝나기를 기다리기만 하는 메서드. notify와 달리 별도의 코드 블록을 실행하지 않으므로 코드 블록을 실행시킬 queue를 지정할 필요도 없다.

// notify()
let group = DispatchGroup()
DispatchQueue.global().async(group: group, execute: blue)
DispatchQueue.global().async(group: group, execute: red)
group.notify(queue: .main) {
    print("모든 작업이 끝났습니다.")
}

// wait()
let group = DispatchGroup()
DispatchQueue.global().async(group: group, execute: blue)
DispatchQueue.global().async(group: group, execute: red)
group.wait()
print("모든 작업이 끝났습니다.")

 

DispatchSemaphore

• 스레드에 접근가능한 스레드 수를 설정 Race Condition을 방지
• wait()과 signal()을 호출하여 접근권환 요청및 반환

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Operation

Operation

• 실행할 코드 블록을 객채화해둔 것. (GCD의 DispatchWorkItem와 유사)
• Operation은 추상클래스이므로 하위 클래스는 커스텀 클래스로 직접 만들어주거나 BlockOperation이라는 하위 클래스를 사용
• Opertion을 실행하는 방법은 크게 2가지
  • 직접 실행
  • OperationQueue에 넣는 방법

let operation = BlockOperation {
    // A. some code
}

// BlockOperation의 메서드
operation.addExecutionBlock {
    // B.Operation의 동작이 끝나고 난 후에 원하는 코드를 실행 A->B
}

// Operation의 프로퍼티
operation.completionBlock = {
    // C. Operation과 그와 연관된 executionBlock들이 모두 실행된 다음에 실행 A->B->C
}

// OperationQueue에는 Operation을 넣어주기만 하면 바로 실행된다
let operationQueue = OperationQueue()
operationQueue.addOperation(operation)

 

OperationQueue

• OperationQueue는 Operation 객체들을 실행하고 관리하는 대기열
• Operation같은 경우는 좀 더 객체지향적으로 설계되어 sync/async에 대한 정보는 Operation이 가지고 있으며, 스레드 관리는 OperationQueue가 한다
• operation을 큐에 추가하면 실행될 때까지 operation은 큐에 남아있고 추가된 operation을 직접 삭제할 수는 없습니다.
• 모든 operation이 끝날 때까지 Queue는 유지

 

GCD vs Operation

• Operation에는 해당 Operation의 상태를 추적할 수 있는 다양한 프로퍼티가 존재
  • isConcurrent: Bool   => Operation 동시성 여부
  • isAsynchronous: Bool  =>  Operation 비동기 여부
  • isReady:  Bool  =>  Operation이 실행할 준비를 마치면 isReady 상태가 됩니다. 
  • isExecuting:  Bool  =>  Start가 호출된 후(혹은 OperationQueue에 의해 실행된 후) isExecuting 상태가 됩니다. 
  • isCancel:  Bool  =>  Operation을 cancel하게 되면 isCancel 상태가 됩니다. 
  • isFinished:  Bool  =>  cancel하지 않고 동작을 모두 마쳤다면 isFinished 상태가 됩니다.

 

 

 

 

 

참고

 

https://developer.apple.com/tutorials/app-dev-training/managing-structured-concurrency

https://medium.com/hcleedev/swift-structed-concurrency%EB%9E%80-32f9a5c7ac58

https://velog.io/@ldh0320/WWDC21-Meet-asyncawait-in-Swift#a-normal-function-call

https://developer.apple.com/documentation/dispatch
https://developer.apple.com/documentation/foundation/operation

https://developer.apple.com/documentation/foundation/operationqueue