꽤 자주 접하는 용어다. 특히나 요즘들어 더 자주 접하게 되는데, 얼추 알고는 있고 알고 있는게 틀린 것도 아니지만, 막상 명확하게 구분해서 설명하라면 또 만만치가 않은..

그래서 찾아보면 또 대충 뭔소린지 알아들을 것 같다가도, 구분해서 설명하라면 머뭇거리게 되긴 마찬가지다.

자료마다 미세하나마 조금씩 차이가 있는 것들도 많아서, 정확하고 유일한 구분법은 사실 없는 것 같다. 그리고 이렇게라도 꼭 구분해야만 하는 것인가 하는 생각도 들지만, 그래도 ‘나의 언어로 구분하고 설명해보는 것’을 목표로 한 번 정리해보자.

IBM developerWorks의 2:2 매트릭스

이 주제로 자료를 찾아본 사람들은 아마 아래의 그림을 한 번쯤은 봤을 것이다.

IBM developerWorks의 단순화된 리눅스 I/O 모델 매트릭스

위 그림만으로도 딱 와닿는다면 이미 Blocking-NonBlocking-Synchronous-Asynchronous의 구분에 대한 감이 있다고 볼 수 있으므로, 이 글은 더 이상 읽을 필요가 없다. ^^

와닿지 않는다면 조금 더 읽어보자. 하지만 앞으로 전개될 내용을 보면서, 이젠 너무 오래되어 버린 위의 IBM 그림(특히 I/O Multiplexing이 Blocking-Async로 구분되어 있는 점)에 구애 받을 필요는 없다.

익숙한 것

일단 대충 알기로 Blocking과 Synchronous 둘이 비슷하고, Non-blocking과 Asynchronous 둘이 비슷하다. 그래서 대부분 아래 그림이 표시하는 개념을 알고 있다.

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익숙해서 그런지 구체적인 예도 비교적 쉽게 떠올릴 수 있다.

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낯선 것

비슷해 보이는 것 둘씩 묶어보는 건 앞에서 살펴본 것처럼 꽤나 익숙하다. 문제는 비슷해 보이지 않는 걸 둘씩 묶어보는 건데, 이건 사례는 둘째치고 그림조차 잘 그려지지 않는다.

먼저 Sync-NonBlocking을 생각해보자. 사실 Sync는 Blocking과 비슷한데, Blocking의 반대인 NonBlocking이랑 공존한다는 것 자체가 성립이 안되는 거 아닌가?

Async-Blocking도 마찬가지다. Async는 NonBlocking과 비슷한데, NonBlocking의 반대인 Blocking이랑 공존한다는 것 자체가 성립이 안되는 거 아닌가?

다른 관심사

Blocking-Sync가 비슷하고, NonBlocking-Async가 비슷하지만, Blocking/NonBlocking과 Sync/Async이 2:2 매트릭스 그림에서 각각 다른 축에 자리잡는 데는 이유가 있다. 두 그룹은 관심사가 다르다.

Blocking/NonBlocking

Blocking/NonBlocking은 호출되는 함수가 바로 리턴하느냐 마느냐가 관심사다.

호출된 함수가 바로 리턴해서 호출한 함수에게 제어권을 넘겨주고, 호출한 함수가 다른 일을 할 수 있는 기회를 줄 수 있으면 NonBlocking이다.

그렇지 않고 호출된 함수가 자신의 작업을 모두 마칠 때까지 호출한 함수에게 제어권을 넘겨주지 않고 대기하게 만든다면 Blocking이다.

Synchronous/Asynchronous

Synchronous/Asynchronous는 호출되는 함수의 작업 완료 여부를 누가 신경쓰냐가 관심사다.

호출되는 함수에게 callback을 전달해서, 호출되는 함수의 작업이 완료되면 호출되는 함수가 전달받은 callback을 실행하고, 호출하는 함수는 작업 완료 여부를 신경쓰지 않으면 Asynchronous다.

호출하는 함수가 호출되는 함수의 작업 완료 후 리턴을 기다리거나, 또는 호출되는 함수로부터 바로 리턴 받더라도 작업 완료 여부를 호출하는 함수 스스로 계속 확인하며 신경쓰면 Synchronous다.

비슷한 동작, 다른 관심사

앞에서 막연하게 비슷하다고 했던 것은 조금 구체적으로 말하면 동작이 비슷한 것이었다. Blocking이나 Sync는 막거나 기다리거나 하는 등 둘 모두 뭔가 비효율적으로 동작하는 느낌인 반면에, NonBlocking이나 Async는 막지도 않고 완료되면 알아서 처리하는 등 둘 모두 뭔가 효율적으로 동작하는 느낌이다.

이제 동작은 비슷하지만 관심사가 다르다는 점을 염두에 두고 낯선 조합을 살펴보자.

NonBlocking-Sync

앞에서 살펴본대로 조합해보면 NonBlocking-Sync는 호출되는 함수는 바로 리턴하고, 호출하는 함수는 작업 완료 여부를 신경쓰는 것이다. 신경쓰는 방법이 기다리거나 물어보거나 두 가지가 있었는데, NonBlocking 함수를 호출했다면 사실 기다릴 필요는 없고 물어보는 일이 남는다.

즉, NonBlocking 메서드 호출 후 바로 반환 받아서 다른 작업을 할 수 있게 되지만, 메서드 호출에 의해 수행되는 작업이 완료된 것은 아니며, 호출하는 메서드가 호출되는 메서드 쪽에 작업 완료 여부를 계속 문의한다.

그림을 그려보면 다음과 같다.

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이런 케이스가 뭐가 있을까 생각해보니 future.isDone()이 이것과 비슷한 것 같다.

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Future ft = asyncFileChannel.read(~~~);

while(!ft.isDone()) {
// isDone()은 asyncChannle.read() 작업이 완료되지 않았다면 false를 바로 리턴해준다.
// isDone()은 물어보면 대답을 해줄 뿐 작업 완료를 스스로 신경쓰지 않고,
// isDone()을 호출하는 쪽에서 계속 isDone()을 호출하면서 작업 완료를 신경쓴다.
   // asyncChannle.read()이 완료되지 않아도 여기에서 다른 작업 수행 가능
}

// 작업이 완료되면 작업 결과에 따른 다른 작업 처리

참고로 위 코드는 NonBlocking-Sync라는 특성 이해에 집중할 수 있도록 간략화한 예제고, 실무적으로는 Future보다는 CompletableFuture를 쓰거나, Future를 쓴다면 위의 while 블록은 별도의 쓰레드로 빼서 실행하는 것이 좋다.

Blocking-Async

이제 마지막 조각인 Blocking-Async다.

앞에서 살펴본대로 조합해보면 Blocking-Async는 호출되는 함수가 바로 리턴하지 않고, 호출하는 함수는 작업 완료 여부를 신경쓰지 않는 것이다.

그림을 그려보면 다음과 같다.

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이런 사례는 사실 생각해봐도 금방 떠오르는 게 없다. 어차피 Blocking되어 대기하는 것 외에는 다른 일도 못 하게된 마당에, 그냥 작업 끝날 때까지 기다렸다가 결과를 반환 받아서 처리하는 Blocking-Sync 방식과 성능적으로 거의 차이가 나지 않을 것 같은 방식이라서가 아닐까..

글을 올리고 보니 다른 분께서 좋은 의견을 주셨다. Blocking-Async는 별로 이점이 없어서 일부러 이 방식을 사용할 필요가 없기는 한데, 의도하지 않게 Blocking-Async로 동작하는 경우가 있다고 한다. 원래는 NonBlocking-Async를 추구하다가 의도와는 다르게 실제로는 Blocking-Async가 되어버리는 경우라고 하는데 그것은 바로..

Blocking-Async의 대표적인 케이스가 Node.js와 MySQL의 조합이라고 한다.

Node.js 쪽에서 callback 지옥을 헤치면서 Async로 전진해와도, 결국 DB 작업 호출 시에는 MySQL에서 제공하는 드라이버를 호출하게 되는데, 이 드라이버가 Blocking 방식이라고 한다.

이건 사실 Node.js 뿐아니라 Java의 JDBC도 마찬가지다. 다만 Node.js가 싱글 쓰레드 루프 기반이라 멀티 쓰레드 기반인 Java의 Servlet 컨테이너보다 문제가 더 두드러져 보일 뿐, Blocking-Async라는 근본 원인은 같다.

그래서 Blocking-Async는 이렇게 정리해도 좋을 것 같다.

Blocking-Async는 별다른 장점이 없어서 일부러 사용할 필요는 없지만,

NonBlocking-Async 방식을 쓰는데 그 과정 중에 하나라도 Blocking으로 동작하는 놈이 포함되어 있다면 의도하지 않게 Blocking-Async로 동작할 수 있다.

정리

  • Blocking/NonBlocking은 호출되는 함수가 바로 리턴하느냐 마느냐가 관심사

    • 바로 리턴하지 않으면 Blocking
    • 바로 리턴하면 NonBlocking
  • Synchronous/Asynchronous는 호출되는 함수의 작업 완료 여부를 누가 신경쓰냐가 관심사

    • 함수의 작업 완료를 호출한 함수가 신경쓰면 Synchronous
    • 함수의 작업 완료를 호출된 함수가 신경쓰면 Asynchronous
  • 성능 상으로 가장 유리한 모델은 Async-NonBlocking 모델이다.

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기타

공유하면 좋은 건 피드백을 받을 수 있다는 것이다.

Nonblocking과 Async를 관심사 관점이 아니라 다음과 같이 동작 관점에서도 구분할 수 있다는 좋은 의견도 있었다.

  • NonBlocking은 제어문 수준에서 지체없이 반환하는 것

  • Asynchronous는 별도의 쓰레드로 빼서 실행하고, 완료되면 호출하는 측에 알려주는 것

다음과 같이 입장(?)을 통해 구분한다는 의견도 좋아 보인다.

  • Blocking/NonBlocking은 호출한 입장에서의 특징
  • Sync/Async는 처리되는 방식의 특징

I/O Multiplexing

아래 댓글에도 있지만, 페북 등 다른 채널을 통해서도 역시나 I/O Multiplexing에 대한 피드백이 많았다. 사실 어느 정도 예상을 하고 의도적으로 I/O Multiplexing에 대한 언급을 하지 않았는데, 그로 인해 오히려 의도하지 않은 부작용이 있는 것 같아서 지금이라도 언급을 하고 넘어가는 것이 좋을 것 같다.

결론부터 말하면, I/O Multiplexing이 IBM의 그림에서 Blocking-Async로 분류되어 있는 것에 동의하지 않는다.

일단 범위를 작게 해서 I/O Multiplexing 중에서 select() 호출 부분에만 국한해서 살펴보자.
리눅스 man페이지의 select의 description에는 아래와 같이 기술되어 있다.

select() and pselect() allow a program to monitor multiple file
descriptors, waiting until one or more of the file descriptors become
“ready” for some class of I/O operation (e.g., input possible). A
file descriptor is considered ready if it is possible to perform a
corresponding I/O operation (e.g., read(2) without blocking, or a
sufficiently small write(2))

(대략) 하나 이상의 fd가 ready 상태가 될 때까지 wating, 즉, 기다린다.

이렇게 보면 OS 수준에서 select() 자체는 기다리는 Sync 방식이라고 할 수 있다.

그럼 Blocking/NonBlocking은 어느쪽이냐 하는 문제가 남는데, 이는 구현에 따라 달라진다. Java를 예로 들면 API 문서에 select()는 Blocking 방식이라고 기술되어 있으며, selectNow()는 NonBlocking 방식이라고 기술되어 있다.

따라서 I/O Multiplexing 중에서 select의 호출만을 떼어서 말하면 일단 OS 수준에서 Sync 방식인 것은 자명하지만, Sync-Blocking인지 Sync-NonBlocking 인지는 구현 방식에 따라 달라지므로 어느 한 쪽이 맞다고 하기 어렵다.

하지만, 보통 I/O Multiplexing이라고 하면 미시적으로 select의 호출 부분만을 말하는 것이 아니라, select의 대상이 되는 channel과의 연계까지도 포함하여 언급하려는 의도가 있다고 볼 수 있다. 그리고 이 과정에서의 channel은 NonBlocking 채널을 말한다.

그 근거는 앞에서 인용한 리눅스 man 페이지의 내용 중에 ‘읽기에 대해 blocking이 없는 I/O 연산과, 충분히 작은 쓰기 I/O 연산을 수행할 수 있을 때, 해당 fd를 select 될 수 있는 ready 상태로 간주한다’는 내용이 있고, 실무적으로도 Java를 예로 들면 channel.configureBlocking(false);와 같이 채널을 NonBlocking으로 설정한다는 점이다.

따라서 일반적으로 I/O Multiplexing은 Sync방식의 select와 NonBlocking 방식의 channel이 연계되는 Sync-NonBlocking 방식이라고 해도 틀리지 않게 된다.

더 읽을 거리


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