[Kotlin 기초] 비동기 프로그래밍의 기초 (쓰레드와 코루틴)

 

 

 

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비동기 프로그래밍

 

• 동기적 프로그래밍 : 순서대로 하나의 작업씩 수행하는 행위 
  - 순차적으로 수행하기 때문에 앞선 작업에 영향을 받음
  - 앞선 작업이 끝나지 않는다면, 뒤의 작업은 영원히 수행할 수 없음
  - 요청을 보내고 결과값을 받을 때까지 작업을 멈춤
• 따라서 꼭 동기적으로 실행하지 않아도 되는 기능은 비동기적으로 실행하는게 좋음
• 비동기 프로그래밍: 여러가지의 로직들이 완료 여부에 관계없이 실행되는 방식
  - 요청을 보내고 결과값을 받지 않아도 멈추지 않고 또 다른 일을 수행

• 예: 5GB 영상 다운로드 → 메일전송 → 알림의 순서를 가진 로직
• 동기적으로 진행한다면 다운로드 중 다른 작업을 하지못하고 앱이 멈추는 등의 문제 발생
• 따라서 비동기적으로, 다른 작업을 하고있다가 영상 다운로드가 완료됐을때 알림이 발생하는 것이 좋음

 

 

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쓰레드 (Thread)

 

• 프로그램은 하나의 메인 쓰레드(실행흐름)가 존재
• 메인 쓰레드:  fun main() ←— 메인함수
• 메인 쓰레드 위에서 로직을 실행하면 동시처리가 불가능
• 따라서 thread 키워드로, 별도의 자식 쓰레드를 생성해서 동시에 로직을 실행
• 쓰레드가 필요한 경우 예시
  (1) 몬스터를 공격 / 체력 닳음 / 효과음 발생 3개가 동시에 발생해야 하는 경우
  (2) 경마 프로그램의 말들이 동시에 출발해서 경쟁해야 하는 경우

 

 

프로세스와 스레드의 차이

 

 

프로세스(Process)

• 프로그램이 메모리에 올라가서 실행될 때, 프로세스 1개
• 보통 프로그램을 더블클릭하면 프로세스가 생김

 

쓰레드(Thread)

• 쓰레드는 프로세스보다 더 작은 단위 (프로세스 안에서 더 작은 작업의 단위 = 쓰레드)
• 쓰레드는 생성되서 수행할때 각 독립된 메모리 영역인 STACK 을 가짐
• 즉 쓰레드를 한 개 생성하면 스택메모리의 일정 영역을 차지

 

 

사용 예시

// 코루틴 삽입 후 빨간 부분 클릭하고 import 해주면 됨

fun main() {
    thread(start = true) { // 1부터 10까지 출력하는 코드를 2개의 쓰레드로 경쟁
        for(i in 1..10) {
            println("Thread1: 현재 숫자는 ${i}")
            runBlocking {
                launch {
                    delay(1000) // 1초마다 자원경쟁을 시키기 위해 딜레이 추가
                }
            }
        }
    }

    thread(start = true) {
        for(i in 50..60) {
            println("Thread2: 현재 숫자는 ${i}")
            runBlocking {
                launch {
                    delay(1000)
                }
            }
        }
    }
}

// Thread1과 Thread2의 순서는 보장되지 않고 경쟁

• 스레드 사전 작업: 외부 종속성 추가 (https://github.com/Kotlin/kotlinx.coroutines#android)
• build.gradle에 implementation 코루틴 적용

 

 

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코루틴 (Coroutine)

 

• 코루틴의 정의: 공식문서 (링크)
• 쓰레드보다 더욱 경량화되어 가볍게 사용할 수 있는 비동기 기능
• 최적화된 비동기 함수를 사용
• 하드웨어 자원의 효율적인 할당, 안정적인 동시성
• 로직들을 협동해서 실행하자는게 목표이며 구글에서 적극 권장
• 코루틴은 빌더와 함께 사용

 

 

코루틴 빌더의 종류 : launch (결과값 X), async (결과값 O)

 

• launch는 Job 객체로 코루틴을 관리하는데, Job객체는 다양한 함수를 가지고 있음
  - join: 현재의 코루틴이 종료되기를 기다림
  - cancel: 현재의 코루틴을 즉시 종료

 

• 코루틴은 스코프로 범위를 지정할 수 있음
  - GlobalScope: 앱이 실행된 이후에 계속 수행되어야할때 사용 (사용 후 정리 X)
  - CoroutineScope: 필요할 때만 임시적으로 생성 (사용 후 정리 필요 O)

 

• Dispatcher로 코루틴을 실행할 쓰레드를 지정할 수 있음 (하나의 쓰레드 안에 여러 개의 코루틴)
  - Dispatchers.Main: UI와 상호작용하기 위한 메인쓰레드
  - Dispatchers.IO: 네트워크나 디스크 I/O작업에 최적화되어있는 쓰레드
  - Dispatchers.Default: 기본적으로 CPU최적화되어있는 쓰레드
  - 안드로이드에서는 특히 Dispatcher간의 변환을 해야하는 작업을 고려해야함

 

 

 

실습 환경 설정

 

fun main(args: Array<String>) {
    println("메인쓰레드 시작")
    var job = GlobalScope.launch {
        delay(3000)   // delay 3초를 주었지만, main 함수에서 "메인쓰레드 종료" 먼저 출력되고 끝나버림
        println("여기는 코루틴...") 
    }
    println("메인쓰레드 종료")
}

• 안드로이드는 항상 앱이 켜있는 상태지만, 실습환경은 kt 파일을 이용해 실행 후 종료되는 JVM환경
• 따라서 실행하면 main이 먼저 종료되기 때문에 3초 뒤 출력해야 하는 코루틴의 결과를 얻을 수 없음

 

// 글로벌 스코프 활용

fun main(args: Array<String>) {
    println("메인쓰레드 시작")
    var job = GlobalScope.launch {
        delay(3000)
        println("여기는 코루틴...")
    }
    runBlocking { // 아래 job이 실행될 때까지 기다리겠다 명시
        job.join()
    }
    println("메인쓰레드 종료") // job.join() 실행 뒤에 출력 후 종료
}

// 코루틴 스코프 활용

fun main(args: Array<String>) {
    println("메인쓰레드 시작")
    var job = CoroutineScope(Dispatchers.Default).launch {
        delay(3000)
        println("여기는 코루틴...")
    }
    runBlocking {
        job.join()
    }
    println("메인쓰레드 종료")
		job.cancel() // 코루틴스코프는 임시로 사용한 거라, 사용 후 해제 해야 함
}

• 실습환경에서 동기적으로 코루틴의 결과를 조회하고 싶다면 job의 join메소드를 활용
• 안드로이드와 달리 앱이 항상 켜져있지 않기 때문에 job으로 실습을 진행

 

 

 

코루틴 사용 예시

 

	println("메인쓰레드 시작")
    var job = CoroutineScope(Dispatchers.Default).launch {
        var fileDownloadCoroutine = async(Dispatchers.IO) { // async 이용, 10초
            delay(10000)
            "파일 다운로드 완료"
        }
        var databaseConnectCoroutine = async(Dispatchers.IO) {
            delay(5000)
            "데이터베이스 연결 완료"  // async 이용, 5초
        }
        println("${fileDownloadCoroutine.await()}")
        println("${databaseConnectCoroutine.await()}")
    }
    runBlocking {
        job.join()
    }
    println("메인쓰레드 종료") // 메인쓰레드 시작, (10초 뒤 한 번에) 파일 다운로드 완료, 연결 완료, 메인쓰레드 종료
    job.cancel()

• 여러 개의 코루틴을 위와 같이 사용 가능함
• 코루틴의 결과괎을 리턴 받을 수 있음
• 결과 값을 리턴 받아야하기 때문에, await는 일시중단이 가능한 코루틴에서 실행 가능

 

 

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쓰레드와 코루틴 비교

 

• 둘 다 동시성 프로그래밍을 위한 기술
• 동시성 프로그래밍 기술은 컨텍스트 스위칭(문맥 교환)이 중요한 개념 (링크)
• 코루틴은 쓰레드를 대체하는 기술이 아니며, 하나의 쓰레드를 더욱 잘개 쪼개서 사용하는 것 (각자의 방법이 다름)
• 코루틴은 쓰레드보다 CPU자원을 절약하기 때문에 Light-Weight Thread라고도 불림
• 구글에서는 코틀린의 코루틴 사용을 적극 권장

 

 

 

쓰레드

• 작업 하나하나의 단위 : Thread
  • 각 Thread 가 독립적인 Stack 메모리 영역을 가짐
• 동시성 보장 수단 : Context Switching
  • 운영체제 커널에 의한 Context Switching 을 통해 동시성을 보장
  • 블로킹 (Blocking)
    • Thread A가 Thread B 의 결과를 기다리는 중
    • 이 때, Thread A는 블로킹 상태라고 할 수 있음
    • A는 Thread B 의 결과가 나올 때 까지 해당 자원을 사용하지 못함

• Thread A가 Task 1을 수행하는 동안 Task 2 의 결과가 필요하면 Thread B를 호출
• 이때 Thread A는 블로킹 되고 Thread B로 프로세스간에 스위칭이 일어나 Task 2을 수행
• Task 2가 완료되면 Thead A로 다시 스위칭해서 결과 값을 Task 1에게 반환
• 이때 Task 3, Task 4는 A, B작업이 진행되는 도중에 멈추지 않고 각각 동시에 실행됨
• 이때 컴퓨터 운영체제 입장에서는 각 Task를 쪼개서 얼마나 수행할지가 중요
• 그래서 어떤 쓰레드를 먼저 실행해야할지 결정하는 행위를 스케쥴링이라고 함
• 이러한 행위를 통해 동시성을 보장

 

 

코루틴

• 작업 하나하나의 단위 : Coroutine Object
  • 여러 작업 각각에 Object 를 할당
  • Coroutine Object 도 엄연한 객체이기 때문에 JVM Heap 에 적재 (코틀린 기준)
• 동시성 보장 수단 : Programmer Switching (No-Context Switching)
  • 소스 코드를 통해 Switching 시점을 마음대로 정함 (OS는 관여하지 않음)
  • Suspend (Non-Blocking)
    • Object 1이 Object 2의 결과를 기다릴 때 Object 1의 상태는 Suspend로 바뀜
    • 그래도 Object 1을 수행하던 Thread는 그대로 유효
    • 그래서 Object 2도 Object 1과 동일한 Thread에서 실행

• Task 1을 수행하다가 Task 2의 수행요청이 발생했다고 가정
• 신기하게도 컨텍스트 스위칭 없이 동일한 Thread A에서 수행할 수 있음
• Thread C처럼 하나의 쓰레드에서 여러 Task Object들을 동시에 수행할 수 있음
• 이러한 특징때문에 코루틴을 Light-Weight Thread라고 부름