김혜지 블로그

동시성 시리즈 - 1. GCD 이전

1️⃣ 동시성(Concurrency)

논리적으로 여러 작업이 동시에 실행되는 것처럼 보이도록 하는 처리 방식입니다.

물리적으로 동시에 여러 작업이 수행되는 병렬성(Parallelism)과 달리, CPU가 시분할 기법을 통해 빠르게 문맥 교환을 반복함으로써 여러 작업이 동시에 실행되는 것처럼 느낄 수 있습니다.

  • 시분할(Time Slicing) : 시간을 쪼개 여러 스레드를 오가는 기법
  • 문맥 교환(Context Switching) : CPU가 현재 실행중인 작업의 상태를 저장하고, 다음 실행할 작업의 상태를 읽어와 교체하는 과정
    • 멀티태스킹의 핵심 메커니즘

동시성의 대표적인 문제

  1. Race Condition (경쟁 상태)

    두 개 이상의 스레드가 공유 자원에 동시에 접근하여, 실행 순서에 따라 결과가 달라지는 문제입니다.

  2. Data Race (데이터 경쟁)

    Race Condition 문제에서, 두 개 이상의 스레드 중 최소 하나가 쓰기(Write) 작업일 때 발생하는 문제입니다.

  3. Deadlock (교착 상태)

    두 개 이상의 스레드가 서로가 가진 자원의 Lock이 해제되기만을 무한히 기다리며, 결과적으로 아무것도 진행하지 못하는 상태입니다.
    이때 앱은 freeze 됩니다.

  4. Starvation (기아 상태)

    작업이 계속해서 우선 순위에 밀려 실행되지 못하는 상태입니다.
    주로 우선순위 스케줄링에서 발생합니다.

  5. Priority Inversion (우선순위 역전)

    우선순위가 높은 작업이 우선순위가 낮은 작업 때문에 실행이 지연되는 현상입니다.

2️⃣ GCD 이전, iOS에서는 어떻게 동시성을 관리했을까?

GCD 이전(iOS 4가 등장하기 전)까지는 Thread 기반 모델을 지원했기 때문에, 개발자가 직접 스레드를 생성하고 관리해야 했습니다.
POSIX Threads(pthreads), NSTread를 통해 명시적으로 생성하고 제거합니다.
직접 제어하는만큼 생명주기 관리, 동기화 책임, 부하 관리 책임이 따르고, 직접 제어하는 데에 발생하는 문제들이 있었습니다.

대표적인 문제

  1. 스레드 폭발 (Thread Explosion)

    스레드가 무한정 늘어나면 메모리 사용량이 급증하고, Context Switching 비용도 급증합니다.

    📚 스레드의 메모리 사용량
    스레드는 생성될 때마다 스택(Stack) 메모리를 할당받습니다.
    스레도 폭발로 인해 앱 크래시가 발생하는 것은 스택 할당으로 인한 메모리 사용량 때문입니다.

    💸 Context Switching 비용
    스레드가 많아지면 OS는 더 자주 Context Switching을 시도하면서 캐시 오염과 같은 비용이 발생합니다.
    CPU는 속도를 위해 데이터를 미리 캐시 메모리에 저장해놓는데, 스레드가 전환되면서 기존 캐시 데이터가 무효화되거나 새로운 데이터로 덮어쓰여지는 현상을 캐시 오염이라고 합니다.
    이때 새로운 데이터를 가져오기 위해 램에 접근하는 비용이 발생하게 됩니다.

  2. 성능 예측 불가

    동시성으로 인한 Race Condition 문제를 방지하기 위해 공유 자원에 접근시 Lock을 걸어서 다른 스레드에서 동시에 접근할 수 없도록 막습니다.
    이때 공유 자원에 접근하기 위해 스레드를 재웠다가 깨우는 비용과 작업 순서를 보장할 수 없는 현상이 발생합니다.

    💸 스레드를 재우고 깨우는 Sleep/Wake 작업은 OS 제어 영역이기 때문에 무거운 작업입니다.

    이러한 불확실한 작업 순서와 무거운 비용 발생으로 인해 프로그램의 성능 예측이 불가해집니다.

  3. 복잡한 Main Thread 전환

    비동기 작업 후 메인 스레드로 전환하는 코드를 누락하기 쉽기 때문에, 실수를 유발하기 쉬운 Human Error 환경입니다.

  4. 개발자 생산성 저하

    복잡한 스레드 생명주기 관리를 개발자가 직접 해야 하기 때문에, 코드 작성과 작업 관리 측면에서 개발 생산성이 저하될 수 있습니다.

3️⃣ 스레드는 비싸다, 왜 비쌀까?

스레드(Thread)

스레드는 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 최소 단위이자, CPU 스케줄링의 기본 단위입니다.

핵심 특징

  1. 프로세스보다 생성 및 종료 비용이 적어 가볍다.
  2. 같은 프로세스 내 스레드들은 Code, Data, Heap 메모리를 공유한다.
  3. 각 스레드는 독립적인 Stack, Register, PC 영역을 갖는다.

🧠 PC(Program Counter)
다음에 실행할 명령어의 주소를 가리키며, 스레드 별로 독립적이기 때문에 스레드 간 Context Switching이 가능합니다.

📦 레지스터(Register)
변수값이나 연산 결과를 임시로 저장할 수 있는 공간이기 때문에, Context Switching을 할 때 이전 작업 상태를 복구할 수 있습니다.

💾 스택(Stack)
함수 호출 순서와 함수 내 지역 변수를 저장하기 때문에 스레드 별로 독립적인 작업을 처리할 수 있습니다.

스레드가 비싼 이유

  1. 커널이 직접 관리하는 커널 리소스다.
  2. 독립된 Stack 메모리를 갖는다.
  3. Context Switching은 비싸다.
  4. 스케줄링 경쟁과 동기화 비용을 유발한다.

👷‍♂️ 커널 (Kernel)
하드웨어에 직접 접근할 수 있는 유일한 영역으로, 운영체제의 핵심 영역입니다.
스레드 생성시 스레드 관리를 위해 관련 데이터를 저장하는 커널 객체도 함께 생성됩니다.

👮‍♂️ 스레드 동기화
멀티스레드 환경에서 발생할 수 있는 Race Condition을 방지하기 위해, 스레드의 실행 순서를 조율하거나 자원 접근 권한을 제어하는 메커니즘입니다.

Apple은 스레드 관리의 어려움과 비효율을 해결하기 위해, iOS 4부터 작업 기반 동시성 모델 GCD를 도입했습니다.

“Dispatch queues let you focus on the work you actually want to perform without having to worry about thread creation and management.”
— DispatchQueue는 당신이 스레드 관리에 대해 잊는 대신, 작업을 완수하는 데 집중할 수 있게 해줍니다.

iOS Concurrency