GCD vs Operation Queue

동시성 프로그래밍과 비동기 프로그래밍
Operation Queue
Grand Central Dispatch
GCD vs Operation Queue
- 참고

동시성 프로그래밍과 비동기 프로그래밍

프로세서

컴퓨터 내에서 프로그램을 수행하는 하드웨어 유닛으로 CPU (Central Processing Unit)이 여기에 속합니다. 한 컴퓨터가 여러 개의 프로세서를 갖는다면 멀티 프로세서라고 합니다. (듀얼 프로세서 등)

코어

프로세서 내부의 주요 연산회로를 말합니다. 싱글코어는 하나의 연산회로가 내장되어 있는 것이고 듀얼코어는 두 개의 연산회로가 내장된 것을 말합니다.

프로그램과 프로세스

프로그램은 보조기억 장치에 저장된 실행코드를 말합니다. 프로세스는 이 프로그램을 구동하여 실행코드와 그 상태가 실제 메모리상에서 실행되는 작업 단위를 말합니다. 동시에 여러 개의 프로세스를 운용하는 시분할 방식 을 멀티태스킹이라고 합니다. 이러한 프로세스 관리는 운영체제에서 담당합니다.

스레드

스레드는 하나의 프로세스 내에서 실행되는 작업흐름의 단위를 말합니다. 보통 한 프로세스는 하나의 스레드를 가지고 있지만 환경에 따라 둘 이상의 스레드를 동시에 실행할 수 있습니다. 이러한 방식을 멀티스레딩이라고 합니다. 프로그램 실행이 시작될 때부터 동작하는 스레드를 메인 스레드라고 하고 나중에 생성된 스레드를 서브 스레드 또는 세컨더리 스레드라고 합니다.

비동기 프로그래밍

프로그램의 주 실행 흐름을 멈추어서 기다리지 않고 다음 작업을 실행할 수 있게 하는 방식입니다. 코드의 실행 및 결과 처리를 별도의 공간에 맡겨둔 뒤 그 실행결과를 기다리지 않고 다음 코드를 실행하는 병렬처리 방식입니다. 비동기 프로그래밍은 언어 및 프레임워크에서 지원하는 여러 방법으로 구현할 수 있습니다.

동시성 프로그래밍

논리적인 용어로 동시에 실행되는 것처럼 보이는 방식입니다. 싱글 코어에서 멀티스레드를 동작시키기 위한 방식으로 멀티 태스킹을 위해 여러 개의 스래드가 번갈아 가면서 실행되는 방식입니다.

병렬성 프로그래밍

물리적으로 정확히 동시에 실행되는 것을 말합니다. 멀티 코어에서 멀티 스레드를 동작시키는 방식으로 데이터 병렬성(Data Parallelism)과 작업 병렬성(Task Parallelism)으로 구분됩니다.

데이터 병렬성 : 전체 데이터를 나누어 서브 데이터들로 만든 뒤, 서브 데이터들을 병렬 처리해서 작업을 빠르게 수행하는 방법입니다.
작업 병렬성 : 서로 다른 작업을 병렬 처리하는 것을 말합니다.

동시성과 병렬성의 차이

동시성 프로그래밍과 병렬성 프로그래밍 모두 비동기 동작을 구현할 수 있지만 동작 원리가 다릅니다.

예를 들어 꼬치 가게에서 꼬치를 사려고 기다리고 있다고 생각해봅시다. 꼬치 가게 판매 직원이 2명이어서 사람들은 줄을 2줄로 섰습니다. 그래서 판매직원 한명이 한 줄을 담당해서 N:N으로 업무처리를 진행하는 게 됩니다. 이게 병렬성 입니다. 병렬성은 물리적으로 동시에 여러 작업을 처리할 수 있습니다. 판매직원이 하나의 코어 가 되고, 줄이 처리해야하는 데이터나 작업인 것이죠. 이 병렬성을 구현하기 위해서는 멀티 코어 환경이 필요합니다.

그렇다면 이 상황에서 판매 직원 하나가 급히 자리를 비운다면 어떻게 될까요? 한 줄만 계속해서 판매된다면 다른 줄의 사람들의 원성을 사게 되겠죠. 그래서 한 명의 판매직원이 두 줄의 손님을 번갈아가면서 판매합니다. 논리적으로는 하나의 코어가 여러 줄의 작업을 동시에 처리하는 것처럼 보이지만 물리적으로 동시에 처리하는 것은 아닙니다.

iOS 환경에서의 동시성 프로그래밍 지원 종류

GCD (Grand Central Dispatch) : 멀티 코어와 멀티 프로세싱 환경에서 최적화된 프로그래밍을 할 수 있도록 애플이 개발한 기술입니다.
Operation Queue : 비동기적으로 실행되어야 하는 작업을 객체 지향적인 방법으로 사용합니다.

Operation Queue

Operation

작업과 관련된 코드와 데이터를 나타내는 추상 클래스

Operation Object

애플리케이션에서 수행하려는 Operation을 캡슐화하는 데 사용하는 Foundation 프레임워크의 Operation 클래스 인스턴스입니다.

Operation Queue

Operation의 실행을 관리하며, Operation을 담는 대기열(Queue)입니다.
대기열에 담긴 Operation을 취소하려면 Operation Object의 cancel()을 호출하거나 Operation Queue의 cancelAllOperations()를 호출하여 대기열의 모든 연산을 취소하는 방법이 있습니다.
KVO를 사용해 작업 진행 상황을 감시할 수 있습니다.

Grand Central Dispatch

기본적으로 스레드 풀의 관리를 프로그래머가 아닌 운영체제에서 관리하기 때문에 프로그래머가 작업을 비동기적으로 간편하게 사용할 수 있습니다. 프로그래머가 작업을 생성하고 Dispatch Queue에 추가하면 GCD는 작업에 맞는 스레드를 자동으로 생성해서 실행하고 작업이 종료되면 스레드를 제거합니다.

Dispatch Queue

작업을 담고 있는 대기열로, 항상 선입선출(FIFO : First in first out) 방식으로 실행됩니다. 대기열에 추가된 항목은 시스템이 관리하는 스레드 풀에서 처리하고 작업을 완료하면 스레드를 알아서 해제합니다.

Serial Disptach Queue : 한 번에 하나의 작업만을 실행하며 이 작업이 끝나서 대기열에서 제외도고 새로운 작업이 시작되기 전까지 기다립니다. 별도로 명시하지 않으면 DispatchQueue의 기본은 Serial 입니다.
Concurrent Disptach Queue : 이미 시작된 작업이 완료될 때까지 기다리지 않고 가능한 많은 작업을 진행합니다. 즉, 병렬처리 방식입니다.

Quality of Service (QoS)

Concurrent하게 작업을 처리하면서 작업의 우선 순위를 지정하기 위해 사용합니다.

userInteractive : 중요도가 높고 즉각적인 반응이 요구되는 작업으로 즉각적으로 작업이 처리됩니다. UI업데이트나 이벤트 핸들링 등에 사용됩니다.
userInitiated : 빠른 결과를 기대할 때 사용하는 QoS
utility : 계산, I/O, 네트워킹 등 시간이 다소 오래 걸리는 작업입니다.
background : 유저가 인지하지도 못하는 뒷단에서 실행되는 작업입니다.

Dispatch Source

특정 유형의 시스템 이벤트를 비동기적으로 처리하기 위한 C 기반 매커니즘입니다. 특정 유형의 시스템 이벤트에 대해 정보를 캡슐화하고, 해당 이벤트가 발생할 때마다 특정 클로저 객체 혹은 기능을 Dispatch Queue에 전달합니다.

GCD API

Main Queue 생성

DispatchQueue.main.async {}

Global Queue 생성

DispatchQueue.global().sync {}
DispatchQueue.global(qos: .background).async {}

Custom Dispatch Queue 생성

Dispatch Queue(label: "com.serialQueue").async {}
Dispatch Queue(label: "com.concurrentQueue",
              qos: .default,
              attributes: .concurrent,
              autoreleaseFrequency: .inherit,
              target: nil).async {}

asyncAfter : 지정된 시간이 지나면 작업을 실행합니다.

DispatchQueue.main.asyncAfter(deadline: .now() + 0.1) {}
DispatchQueue.main.asyncAfter(deadline: .now() + .miliseconds(100)) {}

Serial, Concurrent, sync, async

Serial과 Concurrent의 차이는 직렬 Queue와 병렬 Queue의 차이를 가집니다.

sync : 큐에 작업을 추가한 후, 추가된 작업이 종료될 때 까지 기다립니다. sync의 경우 하나의 작업이 Queue에서 빠져나갈 때까지 기다리기 때문에, Serial 이냐 Concurrent냐의 차이는 없습니다. sync로 모든 작업을 Queue에 넣을 경우 그 순서가 보장됩니다.

aync : 큐에 작업을 추가하고, 이 작업의 완료 여부와 관계없이 다음 명령을 실행합니다. 두 개의 Serial Queue 가 있고 여기에 작업을 각각 따로 넣어본다면 어떨까요?

DispatchQueue(label: "first").async { print("1") }
DispatchQueue(label: "second").async { print("2") }
DispatchQueue(label: "first").async { print("3") }
DispatchQueue(label: "second").async { print("4") }
DispatchQueue(label: "first").async { print("5") }
DispatchQueue(label: "second").async { print("6") }

그 결과는 실행할 때마다 달라집니다. 하지만 Serial, 직렬 큐이기 때문에 1 > 3 > 5, 2 > 4 > 6 의 순서는 보장됩니다. 중간에 sleep을 넣으면 어떻게 될까요?

DispatchQueue(label: "first").async { print("1") }
DispatchQueue(label: "second").async {
  print("2 start")
  sleep(5)
  print("2 end")
}
DispatchQueue(label: "first").async { print("3") }
DispatchQueue(label: "second").async { print("4") }
DispatchQueue(label: "first").async {
  print("5 start")
  sleep(5)
  print("5 end")
}
DispatchQueue(label: "second").async { print("6") }
==> 결과
1
2 start
3
5 start
4
6
2 end
5 end

마찬가지로 1 > 3 > 5와 2 > 4 > 6 의 순서로 시작됩니다. 하지만 2번과 5번은 최소 5초 이상 걸리는 작업으로 다른 작업들보다 늦게 끝났습니다. 직렬 큐이기 때문에 들어오는 작업 순서대로 처리를 시작하지만, 앞 선 작업이 완료되지 않아도 다음 작업을 처리합니다.

Concurrent * Async 방식에서는 어떨까요?

let fisrtConcurrentQueue = DispatchQueue(label: "first",
                                   qos: .default,
                                   attributes: .concurrent,
                                   autoreleaseFrequency: .inherit,
                                   target: nil)
let secondConcurrentQueue = DispatchQueue(label: "second",
                                   qos: .default,
                                   attributes: .concurrent,
                                   autoreleaseFrequency: .inherit,
                                   target: nil)
fisrtConcurrentQueue.async { print("1") }
secondConcurrentQueue.async { print("2") }
fisrtConcurrentQueue.async { print("3") }
secondConcurrentQueue.async { print("4") }
fisrtConcurrentQueue.async { print("5") }
secondConcurrentQueue.async { print("6") }
==> 결과
1
4
5
6
3
2

병렬 큐에 비동기로 동작되기 때문에 작업 처리의 순서가 보장되지 않습니다.