[Android] thread와 함께 알아보는 coroutine, flow에 대한 고찰

출처: unsplash.com

 

이번 고찰의 주제는 coroutine이다.

kotlin을 사용했거나, 사용 중인 개발자들에게는 항상 따라다니는 비동기 처리 개념이다.

이번 포스팅으로 확실하게 궁금했던 것들을 공부하면서 짚고 넘어갈 예정이다.

 

coroutine이란?

coroutine은 thread 안에서 실행되는 일시 중단 가능한 작업 단위이다.
하나의 thread에서 여러 coroutine이 서로 thread를 양보해 가며 실행될 수 있다.

 

그러면 어째서 coroutine이 생겨나게 된 걸까?

 

coroutine은 왜 사용하게 되었을까?

thread 기반의 다중 thread 작업의 한계

coroutine 이전의 동시성 작업은 모드 thread 기반으로 이루어졌다.
thread 기반으로 작업을 수행하게 되면 thread 1의 작업이 진행되는 중에 다른 thread의 작업을 진행하고 싶을 경우에는 thread 1이 blocking 되고 thread 2가 작업하는 형식이었다.

 

위 그림과 같이 동작하는데, 이를 andorid 개발로 넘어가게 되면 문제가 발생할 수 있다.

android에는 main thread가 존재하는데, 이 thread는 가장 중요한 thread이다.

main thread에서 작업을 진행하다가 다른 thread 작업으로 인해 blocking 된다면, 실행되는 android 앱은 멈춤 현상이 생기고, 일정 시간 이상 blocking 되면 앱이 강제 종료되는 문제가 발생한다.

 

작업 단위가 thread인 작업들은 생성 비용이 바싸고 작업 전환 비용이 비싸다.
또한 다른 thread로부터 작업을 기다려야 하는 thread는 blocking 된다.
이 특성 때문에 해당 thread는 하는 작업 없이 다른 작업이 끝날 때까지 기다려야 하기 때문에 자원이 낭비된다. 이게 작업 단위가 thread인 경우 생기는 고질적인 문제점들이다.

 

 

coroutine의 기존 문제점 극복 방법

coroutine은 다음과 같은 특징을 지닌다.

• thread를 사용해 coroutine을 실행
• thread 상의 coroutine은 언제든지 중단 가능

위 특징 때문에 coroutine은 경량 thread로 불린다.

코루틴은 아래 사진과 같이 동작한다.

1. 코루틴 1이 생성돼 thread 1에 실행 요청되고, 코루틴 2가 생성돼 thread 2에서 실행된다.
2. 코루틴 1 실행 도중 코루틴 2의 작업 결과가 필요해졌다. 코루틴 2의 작업이 완료될 때까지 코루틴 1은 thread의 사용권을 양도한다.
3. 사용권을 양도받은 코루틴 3이 스레드 1에서 실행된다.
4. 코루틴 3이 실행을 마치면 스레드 1의 사용 권한을 다시 코루틴 1로 넘긴다.
5. 코루틴 2의 작업이 종료되고 결과가 나오면 코루틴 1은 할당받은 작업이 없는 thread를 사용해 실행된다.

coroutine은 thread가 필요 없을 때 thread의 권한을 양보한다. 이를 통해 thread를 blocking 하는 상황이 줄어서 thread를 최대한 활용할 수 있게 된다.
coroutine은 thread가 필요 없어지면, thread를 양보하는 방식으로 thread 사용을 최적화한다.

 

 

더 자세한 정보는 아래의 글을 참고하자.

[Coroutine] 1. 코루틴은 어떻게 스레드 작업을 최적화하는가?

[Coroutine] 1. 코루틴은 어떻게 스레드 작업을 최적화 하는가?

 

thread란 무엇일까?

이제 coroutine의 정의와 왜 사용되는지를 알았다.

그러면 이제는 coroutine과 자주 엮이는 thread가 무엇인지 가볍게 알아보도록 하자.

thread는 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위 혹은 프로세스의 특정한 경로이다.
프로세스는 4가지의 영역(stack, code, data, heap)으로 이루어진 메모리를 할당받는다. thread이 영역들 중 stack 영역을 독립적으로 할당받고, 남은 3가지 영역은 여러 thread가 공유한다.

 

thread에 대한 더 자세한 내용은 이 링크로.

CS - Thread 란?

CS - Thread 란?

 

coroutine vs thread

이미 위에 어느 정도 언급되어 있지만, 다시 이 부분에 정리해보려 한다.

• thread는 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위이다.
  coroutine은 thread 내부에서 실행된다.
• thread는 한 프로세스에서 사용 중이 아닌 다른 작업은 모두 blocking 상태가 되지만,
  coroutine은 작업 하나하나 모두 필요해졌을 때, 작업들을 자유롭게 switching 하면서 동시성을 보장한다.

더 자세한 정보는 아래의 글 참고.

🤔 Thread vs Coroutine 전격 비교

🤔 Thread vs Coroutine 전격 비교

 

kotlin의 flow

갑자기 flow로 점프한 이유는 coroutine을 공부한 목적이 flow의 개념을 공부하기 위해서였다.

 

kotlin의 flow란 무엇일까?

코틀린의 flow는 순차적으로 값을 보내고 정상적으로 또는 예외로 완료되는 비동기적인 데이터 스트림이다.
즉, coroutine 상에서 반응형 프로그래밍을 지원하기 위한 구성 요소이다.

 

flow를 사용하게 된 이유

• 콜백과 리스너의 한계
  기존에는 이벤트 발생 시 특정 동작을 수행하게 하기 위해 콜백과 리스너를 구현했었다.
  하지만 이런 방식은 많은 콜백과 리스너를 사용하게 되면 코드가 복잡해지고, 가독성이 떨어져 메모리 누수와 같은 문제가 발생할 수 있었다.

이후에 live data, rx java와 같은 반응형 프로그래밍의 라이브러리들이 나오게 되고, 더 나아가 coroutine과 flow가 나오게 되면서 위의 문제들을 해결할 수 있었다.

 

flow의 장점

1. 비동기 스트림 데이터 처리
   flow는 비동기 데이터 스트림을 생성하고 처리할 수 있어, 대량의 데이터를 처리할 수 있다. 또한, 데이터가 처리되기 전까지 suspend 상태를 유지하므로 메모리를 효율적으로 사용할 수 있다. 
2. coroutine과의 통합
   flow는 coroutine과 함께 사용할 수 있어, 비동기 처리를 보다 쉽게 구현할 수 있다. coroutine의 suspend 함수로 구현되어 있으므로, coroutine의 동시성과 비동기성을 보다 쉽게 처리할 수 있다. 
3. cold stream 지원
   flow는 cold stream으로 구현되어 있어, 데이터 스트림을 처리하기 위해 collect 함수를 사용한다. 이를 통해 데이터 스트림을 처음부터 다시 생성하고 처리할 수 있어, 상황에 맞게 데이터 스트림을 적절히 처리할 수 있다.
4. 연산자 지원
   flow는 연산자(operator)를 지원해, 데이터를 변환하고 처리할 수 있다. 연산자를 사용하면 코드의 가독성과 유지 보수성을 높일 수 있다.
5. backpressure 처리
   flow는 backpressure 처리를 지원하므로, 데이터의 생산 속도와 소비 속도가 일치하지 않을 때도 안정적으로 동작한다.

 

cold stream?

한 개의 flow가 하나의 소비자에게만 값을 보낸다.

소비자가 소비를 시작할 때, 데이터를 생성한다. 소비자가 소비하기 전까지는 데이터를 생성하지 않는다.

모든 데이터는 스트림 내부에서 생성된다.

 

backpressure?

생산하는 데이터를 소비자가 감당하지 못하는 경우를 뜻한다.

예를 들어 초당 100개의 데이터가 생산될 때, 소비자는 데이터를 1초에 1개 사용할 때, 소비자는 넘어오는 데이터를 감당하지 못하게 된다.

그러면 데이터는 계속 쌓이게 되고 최악의 경우 메모리 문제 또는 애플리케이션 충돌이 발생할 수 있다.

 

더 많은 정보는 아래 글들을 참고.

Kotlin 코틀린의 Flow

Kotlin 코틀린의 Flow

[안드로이드] Coroutine Flow

[안드로이드] Coroutine Flow

[Kotlin] Flow에서 ColdStream과 HotStream의 차이

[Kotlin] Flow에서 ColdStream과 HotStream의 차이

 

정리

coroutine의 정의와 coroutine의 탄생 배경을 공부했고, thread와의 차이점을 공부했다.

kotlin flow에 대해서도 공부했지만, 이 부분은 더 공부가 필요할 것 같다. 아직 이해도가 부족하다.