[Swift] 공식 문서 정리 (18) - Concurrency (동시성, actor, async, await, 비동기, 병렬코드)

안녕하세요, 감자입니다. 오늘은 WWDC21 에서 등장한 동시성에 대해서 공부했어요.. 넘 어렵더군요 ㅠㅠ 그래서 조금 더 참고하고 이해가 필요할 것 같아요.. 흑흑.. 그래서 공식문서 맨 마지막에 참고해서 더 공부해볼 자료를 첨부해두었어요. 모두 가서 읽어보고 제대로 된 이해를 해봅시다 ㅠㅠ 아직 갈길이 멀군요..

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Concurrency — The Swift Programming Language (Swift 5.6)

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Concurrency (동시성)

• 비동기 및 병렬 코드의 구조적 작성을 내장 지원함
• 비동기 코드는 한번에 프로그램 한 조각만 실행하긴 하지만, 잠시 멈췄다 나중에 다시 할 수 있다. (프로그램 코드를 멈췄다 다시하는 것은 네트워크 너머의 자료를 가져오거나 구문 해석 같이 오래 걸리는 연산을 수행하는 동안, 자신의 UI를 갱신하는 것과 같은 단 기간 연산도 계속 수행하는 것이다.)
• 병렬 코드는 여러 개의 코드 조각을 동시에 실행한다는 의미이다.
• 비동기, 병렬 코드를 사용하는 프로그램은 한번에 여러 연산을 실시하며, 외부 시스템을 기다리는 연산은 잠시 멈추고, 이런 코드를 메모리-안전하고 더 쉽게 작성하도록 해준다.
• 병렬 및 비동기 코드의 임무를 수행하기 위한 자원을 할당하는 이런 행동은, 복잡도 증가라는 대가가 따른다.
• 스위프트는 자신의 의도를 표현할 수 있도록 컴파일 시간을 검사하게 해준다. 예를 들어, actor를 사용하면 안전하게 변경 가능한 상태 (mutable state)에 접근할 수 있다. 하지만 느리거나 버그가 있는 코드에 동시성을 추가한다고 빨라지거나, 올바른 코드가 되지는 않는다. 심지어 더 어려워질 지도 모른다.
• 하지만 동시성을 사용한다는 것은 컴파일 시간에 문제를 잡아내도록 도울 순 있을 것이다.

이전에 동시성 코드를 작성해 보았으면, 쓰레드 작업이 익숙할지도 모른다. 스위프트의 동시성 모델은 쓰레드 위에서 제작되었지만, 직접사용하지는 않는다. 스위프트 비동기 함수는 자신이 실행중인 스레드를 포기하여, 첫번째 함수를 차단하는 동안 그 쓰레드에서 다른 비동기 함수를 실행할 수 있게 한다.

listPhotos(inGallery: "Summer Vacation") { photoNames in
  let sortedNames = photoNames.sorted()
  let name = sortedNames[0]
  downloadPhoto(named: name) { photo in
    show(photo)
  }
}

이런 댠순한 경우에도 연속된 완료 처리자로 코드를 작성해야하기 때문에 중첩 클로저를 작성하게 된다. 이런 코드에서는 중첩이 깊어져서 코드가 복잡해지면서 다루기 힘들어질 수도 있다.

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비동기 함수 정의하고 호출하기 (async, await)

비동기 함수란, 어느정도 실행한 도중에 잠시 멈출 수 있는 특수한 종류의 함수 또는 메서드이다. 이는 완료할 때까지 돌거나, 에러를 던지거나, 절대로 반환을 하지 않거나 하는 평범한 동기 함수와는 대조적이다. 비동기 함수도 이 세가지를 모두 하지만, 도중에 일시 정지 할 수도 있다.

함수나 메서드가 비동기라고 지시하려면, throws 키워드와 비슷하게 async 키워드를 자신의 선언 매개변수 뒤에 작성한다. 값을 반환하는 함수나 메서드면 async 를 반환 화살표 -> 앞에 작성한다.

func listPhotos(inGallery name: String) async -> [String] {
    let result = // ... 어떠한 비동기 네트웍 코드 ...
    return result
}

+) 비동기이면서 throws 까지 하는 함수이면, throws 앞에 async를 작성

비동기 메서드를 호출할 때는, 그 메서드가 반환할 때까지 실행을 잠시 멈춘다. 호출 앞에 await 를 작성하여 잠시 멈춤 가능 지점을 표시한다. (이는 에러면 프로그램 흐름이 바뀔 가능성이 있다고 표시하고자 throw 함수를 호출할 때 try를 작성하는 것과 비슷하다.) 비동기 메서드 안에서는 또다른 비동기 메서드를 호출할 때만 잠시 멈춘다.

아래 코드는 전시관의 모든 사진 이름을 가져온 다음에, 첫번째 사진을 보여주는 코드이다.

let photoNames = await listPhotos(inGallery: "Summer Vacation")
let sortedNames = photoNames.sorted()
let name = sortedNames[0]
let photo = **await** downloadPhoto(named: name)
show(photo)

listPhotos(inGallery: ) 와 downloadPhoto(named: ) 함수 둘 다 네트웤 요청이 필요하기 때문에, 완료 까지 상대적으로 긴 시간이 걸릴 수 있다. 따라서 async 키워드를 사용하여 두 메서드 모두 비동기로 만들면, 위의 코드가 사진이 준비될 때가지 기다리는 동안 나머지 코드가 계속 실행될 수 있다.

위 코드의 동시성을 이해하기 위한 실행 순서는 다음과 같다.

1. 위 코드는 첫 번째 줄에서 실행을 시작하고, 첫 번째 await 까지 실행된다. 즉 listPhotos(inGallery: ) 메서드를 호출하고, 해당 메서드가 반환될 때까지 기다리는 동안 실행을 일시정지한다.
2. 1번 코드 실행이 일시정지되는 동안, 동일한 프로그램의 다른 동시성 코드가 실행된다. 예를들어 오래 걸리는 백그라운드 작업인 새로운 사진 갤러리 목록을 계속해서 업데이트 할 수 있다. 이런 코드는 await 로 표시된 다음 일시정지 지점까지 혹은 실행 완료 될 때까지 실행된다.
3. listPhotos(inGallery: ) 가 반환되면 위 코드는 해당 지점에서 시작하여 계속해서 실행된다. 즉 await 코드 다음줄인, 반환값을 photoNames에 할당하는 코드를 진행한다.
4. sortedNames 및 name 을 정의하는 줄은 일반적인 동기코드 이므로, 가능한 정지 지점은 없다.
5. 다음 await는 downloadPhoto(named: ) 메서드에 대한 호출을 표시한다. 이 코드는 해당 메서드가 반환 될 때까지 실행을 다음 일시정지하여 다른 동시성 코드가 실행되도록 한다.
6. downloadPhoto 반환값이 photos 에 할당되고, slow(_:)를 호출 할 때 인수로 전달된다.

await로 표시된 코드의 가능한 일시정지 지점은 비동기 메서드가 기다리는 동안 현재 코드 부분의 실행을 일시중지 할 수 있음을 나타낸다. 이를 쓰레드 양보(Yielding) 이라고 부른다. 그 이유는 코드 실행을 중단하고 다른 코드를 실행하기 때문이다. await 가 있는 코드는 실행을 일시정지 할 수 있어야 하므로, 프로그램의 특정 위치에서만 비동기 메서드를 호출 할 수 있다.

• 비동기 메서드 또는 프로퍼티에 있는 코드
• @main 으로 표시된 구조체, 클래스, 열거형의 static main() 메서드에 있는 코드
• 이번 글의 이후에 나올 Unstructed Concurrency 에서 보게 될 하위 작업의 코드

 

▷ 추가 note : Task.sleep(_:) 메서드

func listPhotos(inGallery name: String) async -> [String] {
  await Task.sleep(2 * 1_000_000_000)  // 2초
  return ["IMG001", "IMG99", "IMG0404"]
}

• Task.sleep(_:) 메서드는 동시성 작동 방식을 배우기 위해 간단한 코드를 작성할 때 유용하다. 이 메서드는 아무 작업도 수행하지 않고 그냥 시간을 기다리는 메서드이다. 네트워크 작업을 시뮬레이션 하는 등의 실험을 해보고 싶을 때 이 메서드를 사용하면 된다.

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비동기 시퀀스

위 코드에서, listPhotos(inGallery: ) 메서드는 배열의 요소가 준비된 뒤 비동기적으로 전체 배열을 한 번에 반환한다. 또다른 접근 방식은 비동기 시퀀스를 사용하여 한 번에 컬렉션의 한 요소를 기다리는 것이다. 비동기 시퀀스에 대한 반복 동작은 아래와 같다.

import Foundation

let handle = FileHandle.standardInput
for try await line in handle.bytes.lines {
  print(line)
}

평범한 for-in 구문을 사용하는 대신, 위 에제에서는 for 다음 await 를 사용했다. 비동기 함수와 마찬가지로 await 키워드로 잠시 멈추는 지점을 지시할 수 있다. for-await-in 반복문은 다음 원소를 사용할 수 있을 때까지 실행을 멈추고 기다리게 된다.

직접 만든 sequence 프로토콜을 채택한 타입을 for-in 루프에서 사용할 수 있는 것과 같은 방식으로 AsyncSequence 프로토콜을 채택한 타입을 만들어서 for-await-in 구문에서 사용하는 것도 가능하다.

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비동기 함수를 병렬(Parallel)로 호출하기

await를 사용하여 비동기 메서드를 호출하면 한 번의 하나의 코드만 실행하게 된다. 비동기 코드가 실행되는 동안 호출자는 다음 코드 줄을 실행하려고 이동하기 전에 해당 코드가 완료되는 것을 기다리게 된다. 예를 들어, 갤러리에서 처음 세 장의 사진을 가지고 오려면 다음과 같이 downloadPhoto(named: ) 메서드에 대한 세 번의 호출을 기다릴 수 있다.

let firstPhoto = await downloadPhoto(named: photoNames[0])
let secondPhoto = await downloadPhoto(named: photoNames[1])
let thirdPhoto = await downloadPhoto(named: photoNames[2])

let photos = [firstPhoto, secondPhoto, thirdPhoto]
show(photos)

이런 접근 방식에는 단점이 있다. download가 비동기라서 진행 동안 다른 코드가 실행되긴 하지만, downloadPhoto(named: ) 의 호출은 한 번에 하나씩만 실행한다는 것이다. (처음코드 진행, 두번째 코드 진행...await가 순서대로 진행)

우리는 이 코드가 동시에 실행되길 바란다. 비동기 함수를 자기 주변의 코드와 병렬로 실행되게끔 하려면 아래 코드와 같이 let 앞에 async 를 작성한다음, await 를 작성하면된다.

async let firstPhoto = downloadPhoto(named: photoNames[0])
async let secondPhoto = downloadPhoto(named: photoNames[1])
async let thirdPhoto = downloadPhoto(named: photoNames[2])

let photos = await [firstPhoto, secondPhoto, thirdPhoto]
show(photos)

이 예제에서는 세 downloadPhoto(named: ) 호출은 모두 이전게 완료하길 기다리지 않고 동시에 시작한다. 이 방식에서 함수를 호출할 때 await를 사용하지 않은 것은, 함수 결과를 기다리기 위해 코드를 잠시 멈추지 않기 때문이다. 그 대신, photos 를 정의한 줄까지 실행을 계속하게 된다. photos를 선언하는 시점에는 사진들이 모두 다운되어 있어야 하므로, await 를 작성해서 기다려줘야한다.

위 두개의 접근법의 차이점을 생각해보면 다음과 같다.

• 다음 줄 코드가 그 함수 결과에 의존할 때, await 로 비동기 함수를 호출한다.이는 순차적으로 실시하는 작업을 생성한다.
• 코드 나중에서야 결과가 필요할 때는, async-let 으로 비동기함수를 호출한다. 이는 병렬로 실시할 수 있는 작업을 생성한다.
• await와 async-let 둘 다 자신이 멈춘 동안 다른 코드가 실행하는 것을 허용한다.
• 두 경우 모두, 잠시 멈춤 가능 지점을 await 로 표시하여, 필요하다면 비동기 함수가 반환될 때까지 일시정지하는 것을 지시한다.

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Tasks and Task Groups

**작업(task)**는 프로그램에서 비동기로 실행할 수 있는 작업 단위이다. 모든 비동기 코드는 어떠한 임무의 일부분으로써 실행한다. 이전 섹션에서 설명한 async-let 구문은 자식 작업을 생성한다. 또한 작업 그룹을 만들고 해당 그룹에 하위 작업을 추가할 수 있다. 그러면 우선순위와 취소를 잘 제어할 수 있고 동적인 수의 작업을 만들 수 있다.

작업은 계층 구조로 정렬된다. 작업 그룹의 각 작업에는 동일한 상위 작업이 있으며, 각 작업에는 하위 작업이 있을 수도 있다. 작업과 작업 그룹 간의 명시적인 관계 때문에 이러한 접근 방식을 구조적 동시성이라고 한다. 정확성에 대한 책임 중 일부는 사용자가 담당하지만, 작업 간의 부모-자식 관계는 취소 전파와 같은 일부 동작을 스위프트가 처리하게 하며, 컴파일 에러도 스위프트가 탐지하게 해준다.

await withTaskGroup(of: Data.self) { taskGroup in
  let photoNames = await listPhotos(inGallery: "Summer Vacation")
  for name in photoNames {
    taskGroup.async { await downloadPhoto(named: name) }
    }
}

Task Group 에 대한 정보는 여기(click) 를 참고해서 더 알아보길 바란다.

 

Unstructured Concurrency

Structured Cocurrency 와 동시에 swift는 unstructured Concurrency 도 지원한다. task group 의 task와는 다르게, Unstructured task는 부모 task 가 없다. 자유롭게 unstructured task를 관리할 수 있지만 정확성에 대해서는 책임을 요구한다. 현재 actor에 unstructured task 를 생성하려면, async(priority: operation: ) 함수를 호출해야 한다.

detached task 라 불리는 현재 actor에 포함되지 않는 unstructured task 를 생성하려면, asyncDetached(priority: operation: ) 함수를 호출해야한다.

아래 코드는 task의 결과를 기다리거나 취소하는 작용을 가능하게 해주는 task.handle 에 관한 예제이다.

let newPhoto = // ... 어떠한 사진 자료 ...
let handle = async {
  return await add(newPhoto, toGalleryNamed: "Spring Adventures")
}
let result = await handle.get()

 

Task Cancellation

스위프트 동시성은 협력 취소 모델 (cooperative cancellation model)을 사용한다. 각각의 task는 실행중에 cancel 되었는지 cancellation에 대한 적절한 응답을 주는지 확인한다.

• CancellationError와 같은 에러를 throw
• nil 또는 빈 컬렉션 반환
• 부분적으로 완료된 작업을 반환

Cancellation을 체크하려면

• CancellationError를 throw 하는 Task.checkCancellation()을 호출하거나
• Task.isCancelled의 값을 체크하고 핸들링

하면 된다. 예를들어 갤러리에서 사진을 다운로드하는 task는 부분 다운로드를 삭제하고 네트워크 연결을 닫아야 할 수 있다. 취소를 수동으로 하려면 Task.Handle.cancel()을 호출하면 된다.

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Actors

위에서 수없이 나온 actor에 대한 개념을 알아보자.

• actor은 클래스와 마찬가지로 참조타입이다.
• 클래스와 달리 actor은 한 번에 하나의 작업만 변경 가능한 상태에 접근할 수 있도록 허용

actor TemperatureLogger {
  let label: String
  var measurements: [Int]
  private(set) var max: Int

  init(label: String, measurement: Int) {
    self.label = label
    self.measurements = [measurement]
    self.max = measurement
  }
}

위 코드는 TemperatureLogger 라는 actor는 actor 밖에서 접근할 수 있는 프로퍼티를 가지고 있고, 내부 접근만 가능한 max 프로퍼티가 있다.

구조체 및 클래스의 동일한 생성자 구문을 사용하여 Actor 의 인스턴스를 생성할 수 있다. Actor의 프로퍼티나 메서드에 접근할 때, 사용하여 잠재적인 정지 지점을 표시한다. 아래 코드를 보자.

let logger = TemperatureLogger(label: "Outdoors", measurement: 25)
print(await logger.max)
// "25" 를 인쇄함

이 예제에서, logger.max의 접근은 잠재적인 중단 포인트를 가지고 있다. actor는 한 번에 하나의 작업만 변겨 ㅇ가능한 상태에 엑세스 되기 때문에 만약 코드가 다른 task 와 상호작용 중이라면, 이 프로퍼티의 접근에 제한된다. 마치 lock, semaphore 를 사용하여 상호 배제를 해주는 것과 동일하다.

대조적으로 actor의 코드에서는 actor의 프로퍼티에 접근할 때 await를 작성하지 않는다.

extension TemperatureLogger {
  func **update**(with measurement: Int) {
    measurements.append(measurement)
    if measurement > max {
      max = measurement
    }
  }
}

이 코드는 TempertureLogger를 새로운 온도로 갱신하는 메서드이다.

update(with: ) 메서드는 actor에서 이미 동작하고 있고, max와 같은 프로퍼티를 접근할 때 await를 사용하지 않는다.

이 메서드는 왜 actor가 한번에 하나의 작업만 변경 가능한 상태에 엑세스를 허용하는지에 대한 이유이다. actor의 상태에 대한 업데이트는 일시적으로 불변량을 해소시킨다. TempertureLogger 엑터는 온도 목록과 최대 온도를 추적하고 새로운 측정값을 기록할 때 최대 온도를 업데이트 한다. 업데이트 도중에 새로운 측정이 추가되면, 이는 logger의 데이터가 일치하지 않게 되는 문제가 발생한다. 따라서 여러 작업이 동일한 인스턴스와 상호작용하는 것을 방지하여 이를 방지해야한다. 아까의 문제를 순차적으로 보면 아래와 같다.

• 코드는 update(with: ) 메서드를 호출한다. 먼저 measurements 배열을 업데이트한다.
• 코드에서 최대값을 업데이트 하기 전에 다른 코드에서 최대값과 온도 배열을 읽는다.
• 코드는 최대값을 변경하여 업데이트를 완료한다.

위와 같은 경우 다른 곳에서 실행 중인 코드는 부정확한 정보에 접근하게 된다. Swift Actor 를 사용하면 이러한 문제를 방지할 수 있다. Actor는 한 지점에 하나의 작업만 허용하고 해당 코드는 await로 정지 가능한 지점을 표시하기 때문이다. update(with; )는 중단 지점을 포함하지 않기 때문에 다른 코드는 업데이트 도중 데이터에 접근할 수 없다.

클래스 인스턴스에서와 같이 Actor 외부에서 이러한 프로퍼티에 접근하려고 하면 아래와 같이 컴파일 오류가 발생한다.

print(logger.max)  // 에러

await 작성 없이 logger.max 에 접근하면 실패하는데 액터의 속성은 그 액터의 격리된 지역 상태 (isolated local state) 의 일부이기 때문이다. 스위프트는 액터 안의 코드만 액터의 지역 상태에 접근할 수 있음을 보증한다.이 보증을 actor isolation 이라고 한다.

 

 

▶ 추가로 읽어 볼 자료 - 공부는 끝도없다아아아 읽고 정리해보자.

https://engineering.linecorp.com/ko/blog/about-swift-concurrency/

Swift Concurrency에 대해서 - LINE ENGINEERING

https://studyin-mysparetime.tistory.com/4

WWDC21 Explore structured concurrency in Swift