: 소개
안녕하세요, 저는 Black입니다. 현대 소프트웨어 개발, 특히 Java 프로그래머에게는 동시 작업을 효율적으로 처리하는 것이 매우 중요한 기술이라는 것을 우리 모두 알고 있습니다. 바쁜 레스토랑에서 여러 명의 요리사가 동시에 서로 다른 요리를 만드는 것처럼, 프로그램의 여러 스레드가 조화로운 방식으로 작동해야 합니다. 이러한 맥락에서 Java의 CompletionService는 셰프들을 관리하는 스케줄러와 같으며 스레드와 작업을 보다 효율적으로 관리할 수 있도록 도와줍니다.
작업을 제출한 다음 비동기적으로 실행할 수 있도록 해주는 Java에서 제공하는 기본 스레드 풀링 프레임워크인 ExecutorService에 익숙하실 것입니다. 하지만 작업의 수가 증가하고 각 작업의 완료 시간이 다를 경우 작업이 완료되는 순간 즉시 알림을 받을 수 있는 메커니즘이 필요합니다. 이것이 바로 CompletionService가 필요한 이유입니다.
실행자 서비스를 기반으로 하며 언제든지 완료된 작업의 결과를 얻을 수 있는 기능을 제공합니다. 모든 작업이 완료될 때까지 기다리거나 각 작업이 완료되었는지 계속 확인할 필요가 없습니다. CompletionService는 작업이 완료되는 즉시 알 수 있습니다.
장: 동시 프로그래밍의 기초
완성 서비스에 대해 자세히 살펴보기 전에 먼저 Java의 동시 프로그래밍이 무엇인지 알아볼 필요가 있습니다. Java에서 동시 프로그래밍은 한 번에 여러 작업을 처리하는 기술입니다. 이는 마치 체스 게임을 여러 번 동시에 플레이하면서 실수가 없도록 각 수를 신중하게 계산하는 것과 같습니다.
Java는 멀티 스레드 프로그램을 만들 수 있는 Thread 클래스와 런처블 인터페이스를 제공합니다. 하지만 이는 기본에 불과합니다. Java가 발전함에 따라 스레드 생성 및 소멸의 오버헤드를 피하고 스레드 리소스를 보다 효율적으로 관리할 수 있는 스레드 풀 관리 도구인 ExecutorService와 같은 고급 도구가 등장했습니다.
Black이 간단한 예를 보여드리겠습니다. 스레드 풀을 통해 실행해야 하는 작업 목록이 있다고 가정해 보겠습니다:
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10); // 고정 크기 스레드 풀 만들기
for (int i = 0; i < 10; i++) {
executor.submit(() -> {
// 다음은 작업을 수행하는 코드입니다.
System.out.println("작업 실행에서:"+ Thread.currentThread().getName());
});
}
executor.shutdown(); // 스레드 풀 닫기
이 예에서는 크기가 10으로 고정된 스레드 풀을 만들고 10개의 작업을 제출했습니다. 각 작업은 실행 중인 스레드의 이름을 인쇄하기만 하면 됩니다.
하지만 여기 질문이 있습니다. 어떤 작업이 완료되었는지 알고 싶다면 어떻게 해야 할까요? 하지만 수백 개의 작업이 있는 경우 완료 여부를 확인하기 위해 각 Future를 계속 확인하는 것은 효율적인 방법이 아닙니다.
이때 CompletionService가 유용합니다. 이 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 실행자 서비스와 블로킹 큐를 결합하면 작업이 완료되는 즉시 완료 서비스가 결과를 가져올 수 있습니다.
장: 완성 서비스 자세히 알아보기
CompletionService의 핵심 아이디어는 작업 제출과 결과 소비라는 두 가지 프로세스를 분리하는 것입니다. 아시다시피 기존 스레드 풀에서는 작업을 제출하면 보통 Future 객체를 받지만, 이 Future는 작업이 완료되었는지 여부만 알 수 있고 완료된 결과를 바로 제공할 수 없습니다. 작업이 많으면 이 Future를 일일이 확인해야 하므로 당연히 번거롭습니다.
여기서 CompletionService가 매우 유용합니다. 이 서비스는 내부 차단 대기열을 통해 이러한 작업의 결과를 관리합니다. 작업이 완료되면 그 결과가 이 대기열에 배치됩니다. 이렇게 하면 아직 완료되지 않은 작업에 대해 신경 쓸 필요 없이 CompletionService의 take 메서드를 호출하여 언제든지 완료된 작업의 결과를 얻을 수 있습니다.
이 기능은 웹 서버에서 사용자 요청을 처리하거나 빅 데이터 처리에서 데이터를 병렬로 처리하는 등 많은 수의 비동기 작업을 처리할 때 특히 유용합니다.
이러한 방식으로 CompletionService는 Java 동시 프로그래밍에 작업 결과를 보다 효율적이고 간결하게 처리할 수 있는 방법을 제공합니다. 스레드 풀링의 동시성 성능을 활용하는 동시에 작업 결과의 관리를 간소화합니다.
CompletionService는 어떻게 이 모든 것을 달성할 수 있을까요? 사실 그 원리는 복잡하지 않습니다. CompletionService는 내부적으로 차단 대기열을 사용하여 완료된 작업을 저장합니다. 작업이 완료되면 그 결과가 이 대기열에 저장됩니다. 그런 다음 테이크 또는 폴링 메서드를 통해 결과를 대기열에서 제거할 수 있습니다. 이 메커니즘을 사용하면 완료 시간이 불확실한 비동기 작업을 효율적으로 처리할 수 있습니다.
완성 서비스 적용하기
CompletionService는 ExecutorService 위에 구축된다는 점을 이해해야 합니다. 즉, CompletionService를 사용하려면 먼저 여기에 제출된 작업을 실행하는 스레드 풀인 ExecutorService의 인스턴스가 있어야 합니다.
예를 들어 보겠습니다. Blackie에 병렬로 처리해야 하는 네트워크 요청 작업이 여러 개 있고 각 작업을 완료하는 데 시간이 걸린다고 가정해 보겠습니다. 우리의 목표는 모든 작업이 완료되는 즉시 결과를 처리하는 것입니다. CompletionService가 매우 유용할 수 있는 상황입니다.
// 스레드 풀 만들기
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
// 이 스레드 풀을 기반으로 CompletionService 생성하기
CompletionService<String> completionService = new ExecutorCompletionService<>(executor);
// 장기 실행 작업 제출하기
for (int i = 0; i < 10; i++) {
int taskId = i;
completionService.submit(() -> {
Thread.sleep(taskId * 1000); // 작업 실행 시간 시뮬레이션
return "작업"+ taskId + " ;
});
}
// 작업 결과 처리하기
for (int i = 0; i < 10; i++) {
try {
// 다음 완료된 작업 대기 및 가져오기
Future<String> resultFuture = completionService.take();
String result = resultFuture.get();
System.out.println("처리 결과:"+ result);
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 마지막으로 스레드 풀을 닫는 것을 잊지 마세요!
executor.shutdown();
이 예제에서 Black은 먼저 고정 크기의 스레드 풀을 생성한 다음 이 스레드 풀을 사용하여 CompletionService를 생성하고, 다음으로 10개의 시뮬레이션된 네트워크 요청 작업을 CompletionService에 제출합니다. 각 작업은 단순히 시간이 많이 소요되는 작업을 시뮬레이션한 다음 그 결과로 문자열을 반환합니다.
이 부분에 초점을 맞추고 있습니다:
// 다음 완료된 작업 대기 및 가져오기
Future<String> resultFuture = completionService.take();
String result = resultFuture.get();
여기서 completionService.take() 통해 첫 번째 완료된 작업의 Future 객체를 가져올 수 있습니다. 그런 다음 future.get()을 통해 실제 결과를 가져옵니다.
이렇게 하면 작업이 완료되는 즉시 알림을 받고 결과를 처리할 수 있습니다. 이는 퓨처 객체를 하나씩 확인하는 기존 방식보다 훨씬 효율적입니다.
이러한 패턴은 많은 수의 동시 작업을 처리할 때, 특히 완료 시간이 서로 다른 작업을 처리할 때 특히 유용합니다. 예를 들어 사용자 웹 요청, 데이터베이스 작업 등을 처리할 때 유용합니다.
장: CompletionService의 고급 애플리케이션
작업 종속성 처리
경우에 따라 일부 작업이 다른 작업에 종속되는 경우가 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 한 작업의 결과가 다른 작업의 입력이 될 수 있습니다. 이러한 경우 종속된 작업이 올바른 순서로 실행되도록 하는 메커니즘이 필요합니다.
여기서 CompletionService는 이러한 종속성을 효율적으로 관리하는 데 도움이 될 수 있습니다. 종속성은 별도의 작업 시퀀스로 처리할 수 있으며 CompletionService를 사용하여 완료된 작업을 추적한 다음 이 정보를 기반으로 종속 작업의 실행을 트리거할 수 있습니다.
오류 처리
오류 처리는 동시 프로그래밍에서 매우 중요한 주제입니다. CompletionService에 여러 작업을 제출할 때 한 작업의 실패가 전체 프로그램의 동작에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 이러한 오류를 적절히 처리하기 위한 메커니즘이 필요합니다.
일반적인 관행은 try-catch 블록을 사용하여 Future.get 메서드에서 발생할 수 있는 예외를 포착하고 처리하는 것입니다. 이렇게 하면 작업이 실패하더라도 프로그램이 충돌하지 않고 오류를 적절히 처리할 수 있습니다.
작업 실행에서 예외를 처리하는 방법을 보여주는 예제를 살펴보세요:
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
CompletionService<String> completionService = new ExecutorCompletionService<>(executor);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
int taskId = i;
completionService.submit(() -> {
if (taskId % 2 == 0) {
throw new RuntimeException("짝수 작업에서 오류 발생");
}
return "작업"+ taskId + " ;
});
}
for (int i = 0; i < 10; i++) {
try {
Future<String> future = completionService.take();
String result = future.get();
System.out.println(result);
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
} catch (ExecutionException e) {
System.err.println("작업 실행 예외:"+ e.getCause().getMessage());
}
}
executor.shutdown();
이 예제에서는 일부 작업이 의도적으로 예외를 던지도록 만들어졌습니다. ExecutionException을 잡으면 이러한 예외를 처리하고 프로그램을 계속 실행하여 다른 작업을 처리할 수 있습니다.
이렇게 하면 여러 작업이 동시에 실행되는 경우에도 프로그램이 안정적으로 실행되고 오류 조건에 적시에 대응할 수 있습니다.
CompletionService는 기본적인 동시 작업을 처리하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 보다 복잡한 시나리오에서도 중요한 역할을 합니다. 작업 종속성을 처리하든 오류 상황을 적절히 처리하든 CompletionService는 간결하고 효과적인 솔루션을 제공합니다. 이 도구를 현명하게 사용하면 프로그램의 견고성과 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
장: 성능 고려 사항 및 모범 사례
성능 고려 사항
CompletionService를 사용할 때 중요한 성능 고려 사항은 작업 제출 및 결과 처리의 효율성이며, CompletionService는 내부적으로 차단 대기열을 사용하여 완료된 작업을 저장하므로 작업 제출 및 결과 가져오기 모두 이 대기열의 영향을 받을 수 있습니다.
작업이 너무 빨리 제출되어 결과 처리를 따라잡지 못하면 대기열이 빠르게 채워져 메모리 사용량이 증가하고 메모리 오버플로 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서 이를 방지하려면 스레드 풀의 크기를 적절히 조정하고 올바른 유형의 큐를 선택하는 것이 중요합니다.
모범 사례
다음은 CompletionService 사용에 대한 몇 가지 모범 사례입니다:
스레드 풀의 합리적인 구성: 스레드 풀의 크기는 작업의 성격과 시스템의 하드웨어 성능에 따라 합리적으로 설정해야 합니다. 스레드가 많을수록 좋은 것이 아니라 너무 많은 스레드는 과도한 시스템 전환을 유발하여 효율성을 떨어뜨릴 수 있습니다.
작업의 특성을 고려하세요: 작업 간에 종속성이 있거나 작업의 실행 시간이 크게 다를 경우, 효율적인 처리를 위해 프로그램 로직을 적절히 조정해야 합니다.
예외의 적절한 처리: 동시 진행 중인 프로그램에서 예외 처리는 매우 중요하며 개별 작업이 실패하더라도 전체 프로그램의 안정성에 영향을 미치지 않도록 해야 합니다.
리소스 경합 방지: 멀티 스레드 환경에서는 리소스 경합이 성능 병목 현상을 일으킬 수 있습니다. 공유 리소스 사용을 최소화하거나 스레드 안전 데이터 구조를 사용하세요.
최적화된 코드 예시를 살펴보세요:
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5); // 스레드 풀을 현명하게 구성하기
CompletionService<String> completionService = new ExecutorCompletionService<>(executor);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
completionService.submit(() -> {
// 여기에서 특정 작업을 수행하세요.
return "작업 결과 ";
});
}
for (int i = 0; i < 10; i++) {
try {
Future<String> future = completionService.take(); // CompletionService에서 결과 가져오기
// 결과가 다음과 같이 처리된다고 가정합니다.
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
// 예외 처리 로직
}
}
executor.shutdown(); // 스레드 풀 닫기
이 예제에서는 스레드 풀의 크기를 적절히 구성하고 예외를 효율적으로 처리하여 프로그램의 안정성과 효율성을 보장합니다.
장: CompletionService와 다른 동시성 도구 비교
완료 서비스 대 미래
Future는 Java 동시 프로그래밍의 기본 구성 요소입니다. 작업을 ExecutorService에 제출하면 Future 객체를 얻게 됩니다. 이 객체는 비동기 계산의 결과를 나타내며, 계산이 완료되었는지 확인하는 방법과 최종 결과를 가져오는 방법을 제공합니다. 그러나 Future에는 어떤 계산이 먼저 완료되었는지 쉽게 확인할 수 있는 방법이 제공되지 않는다는 한계가 있습니다.
CompletionService는 실제로 Future 위에 구축됩니다. 내부적으로 차단 대기열을 사용하며 작업이 완료되면 해당 퓨처가 해당 대기열에 추가됩니다. 이렇게 하면 많은 퓨처 객체를 직접 관리할 필요 없이 첫 번째 완료된 작업을 쉽게 얻을 수 있습니다.
완료 서비스 대 실행자 서비스
ExecutorService는 스레드 풀과 작업 제출을 관리하기 위한 기본 인터페이스입니다. 실행 가능 또는 호출 가능 인터페이스를 구현하는 작업을 제출하고 비동기적으로 실행할 수 있습니다.
이와 대조적으로 CompletionService는 비동기 작업의 결과를 처리하는 데 중점을 둔 ExecutorService의 상위 버전에 가깝습니다. 가장 큰 장점은 첫 번째 완료된 작업의 결과에 쉽게 액세스할 수 있어 많은 수의 비동기 작업을 처리할 때 유용하다는 것입니다.
여러 작업을 처리할 때 실행자 서비스와 완료 서비스의 차이점을 보여주는 간단한 예제를 살펴보세요:
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(4);
// ExecutorService를 사용하여 직접 작업 제출하기
Future<String> future1 = executorService.submit(() -> "결과 1");
Future<String> future2 = executorService.submit(() -> "결과 2");
// CompletionService를 사용하여 여러 작업 처리하기
CompletionService<String> completionService = new ExecutorCompletionService<>(executorService);
completionService.submit(() -> "결과 3");
completionService.submit(() -> "결과 4");
// CompletionService 결과 얻기
try {
for (int i = 0; i < 2; i++) {
String result = completionService.take().get();
System.out.println("완료된 작업:"+ result);
}
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
executorService.shutdown();
이 예제에서는 ExecutorService를 사용할 때 각 작업에 대해 별도의 Future 개체를 관리해야 한다는 것을 알 수 있습니다. 반면 CompletionService를 사용하면 완료된 작업의 결과를 더 쉽게 얻을 수 있습니다.
요약
CompletionService는 여러 비동기 작업을 처리할 때 큰 이점을 보여주는 Java Concurrency 패키지의 강력한 도구입니다. CompletionService는 완료된 작업을 저장하기 위해 내부 차단 대기열을 유지함으로써 완료된 작업의 결과를 쉽게 가져올 수 있어 완료된 순서대로 결과를 처리해야 할 때 특히 유용합니다. 뿐만 아니라 여러 Future 객체 관리의 복잡성을 줄여 코드 가독성을 높여줍니다.
성능 측면에서 CompletionService를 합리적으로 사용하면 프로그램의 응답성과 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 특히 많은 수의 동시 작업을 처리할 때 작업 제출 속도와 결과 처리 속도를 효과적으로 조정하여 리소스 낭비와 잠재적인 성능 문제를 방지할 수 있습니다.
그러나 앞 장에서 설명한 것처럼 CompletionService는 매우 강력하지만 만병통치약은 아닙니다. 일부 시나리오에서는 간단한 Future 또는 ExecutorService를 직접 사용하는 것으로 충분할 수 있습니다. 문제 해결에 적합한 도구를 선택하는 것은 훌륭한 프로그래머라면 항상 고려해야 할 사항입니다.
완성 서비스를 더 깊이 이해하고 실제 프로그래밍에서 유연하게 사용할 수 있기를 바랍니다. 좋은 도구는 프로그래밍을 더 원활하게 만들 수 있지만, 진정한 힘은 이러한 도구를 이해하고 사용하는 데서 나온다는 것을 기억하세요.
