[iOS/WWDC21] Explore structured concurrency in swift 1

안녕하십니까, 민트입니다. 😈 
WWDC21 Explore structured concurrency in swift를 보고 내용을 정리해 보았습니다.
양이 많아서 Part1과 2로 분리합니다.

구조적 프로그래밍

초기에 컴퓨터를 사용할 때는 명령어 시퀸스로 작성되어 제어 흐름을 관리하기 어려웠습니다. 하지만 요즘은 언어에서 구조화된 프로그래밍을 사용하여 제어 흐름을 균일하게 만들기 때문에 이러한 일은 거의 없어졌습니다.

예를 들어 if - else문은 구조화된 제어 흐름을 사용합니다. 중첩된 코드 블록이 위에서 아래로 이동하는 동안에만 조건부로 실행됩니다. 이처럼 Swift에서는 해당 블록이 정적 범위인 scoping을 따릅니다. 이에 해당 블록 내에서 정의된 변수들의 생명 주기는 블록을 벗어날 때 끝납니다.

이처럼 정적 범위를 갖춘 구조적 프로그래밍은 제어 흐름과 변수의 수명을 이해하기 쉽게 만들어 줍니다. 이를 통해 자연스럽게 순서가 생기고 중첩되어 코드 전체를 위에서 아래까지 수원하게 읽을 수 있습니다.

하지만 비동기적이고 동시성 있는 코드를 작성 할 때, 이러한 구조적 프로그래밍이 제대로 사용되고 있지 않았습니다. 이전까지 사용하던 콜백 패턴의 경우 오류를 처리할 때 바텀 - 업 형식을 이용합니다. 이는 위에서 아래로 읽고자 하는 구조적 제어 흐름에서 벗어납니다. 때문에 Swift Concurrency, 즉 async/await에서는 탑-다운 형식으로 오류를 처리할 수 있도록 구현되었습니다.

동시성, Task

async/await을 사용할 때 처리해야하는 양이 많아진다면, 순서대로 하나씩 처리하는 방식은 더 복잡하고 성능에 문제가 생길 수 있습니다. 때문에 여러 작업이 병렬로 실행될 수 있도록 동시성을 추가해야 합니다. 이를 위해서는 추가적인 Task의 생성이 필요합니다.

Task는 비동기 코드를 실행할 수 있는 새로운 실행 context를 제공합니다. 각 Task는 다른 실행 context와 동시에 실행됩니다. 특히 Task는 안정하고 효율적으로 병렬 실행이 가능할 때 자동으로 실행됩니다.

4가지 작업이 있습니다.

1. Structured Concurrency (async - let)

일반적인 let은 =를 기준으로 왼쪽에는 변수명, 오른쪽에는 초기화 표현식을 작성합니다. let에 도달시, 초기화 프로그램을 평가하여 값을 생성하는 방식입니다.

let result = URLSession.shared.data()

URL을 이용하기 때문에 시간이 많이 걸릴 수 있는데, 이는 데이터가 다운로드 된 후 다음으로 넘어가기 전, 해당 값을 result에 바인딩하기 때문입니다.

다운로드에 오랜 시간이 걸릴 수 있으니 데이터 다운로드를 시작하고 데이터가 실제로 필요할 때까지 다른 작업을 계속하도록 설정하는 것으로 이 문제를 해결할 수 있습니다. 이는 let 앞에 async 키워드를 붙이면 됩니다.

async let result = URLSession.shared.data()

이렇게 작성하면 실제로 result를 만나기 전에 자식 Task를 생성합니다. 자식 Task는 본인을 생성한 Task의 하위 Task입니다.

이에 위의 앞선 그림과는 달리 화살표가 두개 나옵니다. 하나는 데이터를 다운로드하는 자식 Task를, 다른 하나는 변수 result를 자리 표시자 값에 바인딩하는 부모 Task를 위한 화살표입니다.

이때 result의 실제 값이 필요한 표현식에 도달하면, 부모는 자식이 작업을 완료할 때까지 기다려야 합니다. 이후 자식이 작업을 완료하면 result에 대한 자리 표시자를 채울 수 있습니다.

이 코드에서 URLSession 호출은 오류를 던질 수도 있습니다. 즉, 결과를 기다릴 때 오류가 발생할 수 있다는 것입니다. 이를 처리하기 위해 try 작성이 필요합니다. 이때 result 값을 다시 읽어도 해당 값을 다시 계산하지는 않습니다.

자식 Task들은 실제로 작업 트리라고 불리는 계층 구조의 일부입니다. 이 트리는 구조화된 동시성의 중요한 부분으로, Task의 속성에 영향을 미칩니다. 취소, 우선순위, 작업 로컬 변수 등이 있습니다. 하나의 async 함수에서 다른 async 함수를 호출할 때마다 동일한 Task가 호출을 실행하는 데 사용됩니다. 이때 해당 함수는 그 Task의 모든 속성을 상속받습니다.

async let을 사용하여 새로운 구조화된 Task를 만들 때, 그것은 현재 함수가 실행되는 Task의 자식이 됩니다. 부모 Task와 자식 Task의 관계가 되는 것이지 특정 함수의 자식은 아니지만, 생명 주기는 함수에 범위가 지정될 수 있습니다. 이렇게 생기는 작업 트리는 각 부모 Task와 자식 Task 간의 연결로 구성되는데, 이 연결은 부모 Task는 자식 Task가 모두 끝난 후에만 작업을 마칠 수 있다는 규칙을 강제합니다. 이 규칙은 자식 Task가 기다려지지 않는 비정상적인 제어 흐름이 발생될 때도 적용됩니다.

예를 들어, 위의 그림에서 metadata 작업을 기다린 후에 이미지 data Task를 기다리는데 첫 번째로 기다린 Task가 오류를 던지며 끝났다면 fetchOne 함수는 그 오류를 던지며 즉시 종료해야 합니다.

이때 두번째 다운로드를 수행하는 Task에서는 Swift가 자동으로 기다리지 않은 Task를 취소된 것으로 표시되고, 함수가 종료되기 전에 그 Task가 끝날 때까지 기다리게 됩니다.

여기서 주의할 점이 Task를 취소된 것으로 표시된다고 해서 Task가 중지되는 것은 아닙니다. 그저 해당 Task에 대한 결과가 더 이상 필요하지 않다는 것을 Task에 알리는 것이고, 실제로 작업이 취소되면 그 작업의 모든 하위 작업도 자동으로 취소 상태가 됩니다.

때문에 함수 fetchOne은 자신이 직접 또는 간접적으로 생성한 모든 구조화된 작업들이 완료된 후, 오류를 던지며 종료되는데 이 보장은 구조화된 동시성에서 매우 중요한 원칙입니다. 이는 작업의 생애 주기를 관리하는데 도움을 주어, 메모리의 생애 주기를 자동으로 관리하는 ARC와 마찬가지로 실수로 작업이 유출되는 것을 방지합니다.

취소

현재 작업의 취소 여부 상태는 모든 함수에서 확인할 수 있고, 코드는 취소를 명시적으로 확인하고 적절한 방법으로 실행을 종료해야 합니다. 특히 긴 시간 동안 실행되는 계산을 포함하는 경우, 취소를 염두에 두고 API를 구현하라고 말합니다.

isCancelled를 Bool값으로 얻을 수 있고, 이를 통해 분기 처리를 하면 부분적인 결과를 얻게 될 수도 있습니다. 취소된 경우와 취소되지 않은 경우로 나뉘기 때문입니다. 하지만 취소 중에도 코드가 완전한 결과를 요구하기 때문에 부분적인 결과가 반환 될 수 있음을 명시하지 않는다면, 작업 취소가 사용자에게 치명적인 오류를 일으킬 수도 있습니다.

2. Group Task

다만 async let은 변수 바인딩과 같이 범위가 제한됩니다. async let이 붙은 작업만큼 시작되고 완료되기 때문입니다. 또한 이는 다음 루프 반복이 시작되기 전에 완료되어야 합니다.

이때 Task Group을 사용할 수 있습니다. 동적 동시성 양을 제공하도록 설계된 구조적 동시성의 한 형태로 withThrowingTaskGroup 함수를 호출해 사용할 수 있습니다. 이 함수는 오류를 던질 수 있는 자식 task를 생성할 수 있는 범위가 제한된 그룹 객체를 제공합니다. 그룹에 추가된 작업은 그룹이 정의된 블록 범위를 벗어나지 못합니다.

그룹에 추가되면 자식 작업은 즉시 실행되며, 순서는 무관합니다. 그룹 객체가 범위를 벗어난다면, 그 안의 모든 작업이 완료될 때까지 암묵적으로 기다리게 되는데 이는 앞서 설명한 작업 트리 규칙의 결과입니다. 그룹 작업도 구조화 되어 있기 때문이죠.

이처럼 프로그램에서 동시성 양을 증가시킬 때 발생할 수 있는 실수가 있습니다. 우연하게 발생되는 Data Race입니다. WWDC 내의 예제에서는 이를 피하기 위해서 각 자식 작업이 값을 반환하게 하고, 부모 작업이 결과를 처리하는 책임을 지도록 구현했습니다.

그룹의 결과를 반복하는 중, 오류가 발생한 자식 작업을 만나서 그 오류가 그룹 블록에서 던져지면 그룹 내의 모든 작업은 암묵적으로 취소되고 모두 기다리게 됩니다. 이는 async let과 동일하게 동작하지만, 그룹이 블록에서 정상적으로 종료되어 범위를 벗어날 때 차이점이 나타납니다. 작업들이 취소되지 않고 대기만 하기 때문에 작업을 처리해주어야 합니다. 블록을 종료하기 전에 그룹의 cancelAll 메서드를 사용하여 모든 작업을 수동으로 취소할 수도 있습니다.




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