[iOS] GCD와 Operation Queue

GCD를 공부하던 중 정리가 잘 되지 않아 정리 해 보려고 합니다. 그리고 같이 공부할 키워드로 떠오른 Operation Queue와는 어떤점이 다른지 정리 하려고 합니다.
GCD(Grand Central Dispatch)는 멀티 코어 하드웨어에서 코드 동시 실행을 지원합니다.

코드의 동시실행을 이해하려면, 실행의 단위를 잘 알아야 합니다.

코드를 작성하면, 어떠한 기능을 하는 파일이 됩니다. 이를 프로그램 이라고 합니다.
이 프로그램은 운영체제의 메모리에 올라가며, 프로그램의 인스턴스를 생성합니다.

이를 프로세스라고 합니다.
프로세스는 운영체제로 부터 독립된 자원을 할당 받습니다.

그리고 그 프로세스에서 여러가지의 일을 실행하는 단위를 쓰레드 라고 합니다.
쓰레드는 프로세스가 할당 받은 자원 중 독립적으로 스택만 새로 할당 받고, 나머지 자원들은 쓰레드끼리 공유합니다.

정래 해보면 코드로 프로그램을 실행하고, 그 프로그램이 하나 실행되면 하나의 프로세스가 생성됩니다. 그리고 그 프로세스 안에서 흐름의 단위가 쓰레드 입니다.

멀티 프로세스 와 멀티 쓰레드

이름으로 부터 의미를 유추 해 보도록 하겠습니다.
멀티 프로세스란 하나의 프로그램 안에 어려가의 프로세스가 동작할 수 있도록 하는 것 이겠군요. 그렇다면
하나의 프로그램 안에서 각각의 독립적인 자원을 할당받은 프로세스들이 기능을 할테니, 프로세스끼리 영향을 주지 않아 독립적으로 사용할 수 있어서 좋겠습니다. 하지만 반대로 공유하는 자원이 없어서, 데이터를 전송하고 받아야겠네요.

멀티 쓰레드란 하나의 프로세스에서 여러개의 쓰레드를 사용하는 방법 일 것 입니다. 멀티 프로세싱의 방법과 반대로, 공유하는 자원이 있으며, 데이터를 전달하는 방법이 간단할 것 같습니다. 하지만 공유하는 자원이 있따는 것은 잘 못 관리하면 의도하지 않았던 데이터의 왜곡이 일어나서 버그를 만들기 쉽겠습니다.

동시성 과 병렬성

동시성(Concurrency) 과 병렬성(Parallelism) 이라는 용어에 대해 정리 해 보도록 하겠습니다.
얼핏 보면 같은 의미인 것 같으나 용어가 다른만큼 다른 의미를 가지고 있습니다.

동시성은 동시에 실행되는 것 처럼 보이는 것이다. 예를 들면 주방장이 한 명인 식당에 스테이크 4개를 주문했을 때, 스테이크1, 스테이크2, 스테이크3, 스테이크4를 순서대로 만들지 않습니다. 네 개의 고기를 다 올리고, 적당히 뒤집으면 4개를 동시에 요리할 수 있고, 실제로 동시에 요리 하는 것 처럼 보입니다. 하지만 요리사는 1명이기에 4개의 스테이크를 동시에 요리하고 있지는 않습니다.

병렬성은 실제로 동시에 실행되고 있는 것처럼 뜻합니다. 위의 예를 다시한번 들면, 주방이 2개인 식당에 스테이크를 4개 주문하면 각각 2개씩 만들면 어느 한 순간, 사진을 찍었을 때 실제 2명이 동시에 요리를 하고 있는 것 처럼 보이겠죠? 동시성을 가진 사진에는 언제나 1명의 요리사 만이 등장합니다.

GCD(Grand Central Dispatch)

멀티 코어 하드웨어에서 동시성 코드 실행을 지원하는 방법입니다. 프로그래머가 작업을 생성하고 Dispatch Queue에 추가하면, GCD가 쓰레드를 생성해 실행합니다. 실행이 완료된 후에는 쓰레드가 제거됩니다.

DispatchQueue

해야 할 작업을 담아두는 Queue입니다. 큐의 대기열에 올라간 아이템은 시스템에 의해 관리되는 스레드 풀에이 처리해 줍니다. 큐는 First In First Out의 구조를 가진 자료구조로 먼저 들어간 작업은 먼저 처리됩니다.

DispatchQueue에는 크게 두 종류가 있는데 하나는 Serial Queue이고 나머지는 Concurrent Queue 입니다.

Serial Queue : 이전 작업이 끝나면 다음 작업을 순차적으로 실행하는 직렬 형태의 Queue입니다.
Concurrent Queue : 병렬 형태로 실행되는 Queue 입니다.

당연한 이야기지만 sync한 작업은 순서가 보장이되고, async한 작업은 순서가 보장되지 않습니다.

Practice

실제 ViewDidLoad에 함수를 호출하여 어떤 순서대로 출력되는지 확인 해 보도록 하겠습니다. 문제를 보고 출력 결과를 예측 해 보세요!
sync는 큐에 작업을 추가하고 작업의 종료를 기다립니다. 하지만 async는 큐에 작업을 추가만 할뿐 작업의 종료를 기다리지는 않습니다.

1번 문제

private func syncTest() {
    DispatchQueue.global().sync { print("1") }
    print("2")
    DispatchQueue.global().sync { print("3") }
    print("4")
    DispatchQueue(label:"SerialQueue").sync { print("5") }
    print("6")
}

1번 결과

1, 2, 3, 4, 5, 6 입니다.

1번 해설

1번이 큐에 들어가고 종료를 기다렸다가, 2번을 실행하고 다시 3번을 큐에 추가해서 종료를 기다렸다가 4번을 실행하고, 5번 SerialQueue 라는 큐에 작업을 넣었다가 6번까지 출력합니다. 그러므로 결과는

2번 문제

private func asyncTest() {
    DispatchQueue(label:"SerialQueue").async { print("1") }
    print("2")
    DispatchQueue(label:"SerialQueue").async { print("3") }
    print("4")
    DispatchQueue(label:"SerialQueue").async { print("5") }
    print("6")
}

2번 결과

2, 1, 4, 3, 6, 5

2번 해설

결과 값은 실행 결과 값은 실행 때마다 달라지지만, 1 작업을 먼저 async 큐에 넣고 끝나기를 기다리지 않고, 2를 출력합니다. 그리고 다시 3을 async 큐에 넣고, 4를 실행 마찬가지로 5도 async 큐에 넣고 6이 실행됩니다. 즉 1, 3, 5 는 2, 4, 6 과 async하게 작업되므로, 각각의 순서는 보장되나 실행 할 때마다 결과가 다르게 나옵니다.

3번 문제

private func asyncConcurrentTest() {
    DispatchQueue.global().async { print("1") }
    print("2")
    DispatchQueue.global().async { print("3") }
    print("4")
    DispatchQueue.global().async { print("5") }
    print("6")
}

3번 결과

2, 1, 4, 6, 3, 5

3번 해설

2, 4, 6의 순서는 언제나 보장됩니다. 하지만 1, 3, 5에 대해서 순서가 보장되지 않습니다. 멀티 쓰레드 형식으로 동작하기 때문에 어떤 작업이 먼저 끝날지 모릅니다.

Main Queue 와 Global Queue

앱이 실행되면 시스템에서 기본적으로 이 2개의 큐를 만들어 줍니다.

Main Queue : 메인 쓰레드에서 UI를 위해 사용하는 Serial Queue 입니다. 모든 UI처리는 메인 쓰레드에서 처리해야 합니다. 그러므로 이 메인 쓰레드에 Task가 많아지면 앱이 버벅일 수 있습니다.
Global Queue : 편리하게 사용할 수 있게 만들어 놓은 Concurrent Queue 입니다. Global Queue는 우선 처리되어야 할 것들의 순위를 표시하기 위해 qos(Quality of service) 파라미터를 제공합니다. 병렬적으로 동시에 처리하기 때문에 작업 완료의 순서는 보장할 수는 없지만 일의 우선순위를 높일 수 있습니다.

QOS 우선순위는 아래와 같습니다.

userInteractive : 중요도가 높고 즉각적인 반응이 요구되는 작업 처리. UI 업데이트나 이벤트 핸들링 등에 사용.
userInitiated : 빠른 결과를 기대할 때 사용하는 QoS
default : 기본 값
utility : 계산, I/O, 네트워킹 등 시간이 다소 오래 걸리는 작업
background : 유저가 인지하지 못하는 뒷단에서 실행되는 작업
unspecified

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.

Operation Queue

Operation : 작업과 관련된 코드와 데이터를 나타내는 추상 클래스입니다
Operation Object : 애플리케이션에서 수행하려는 Operation을 캡슐화하는 데 사용하는 Foundation 프레임워크의 Operation 클래스 인스턴스입니다.

Operation Queue

Operation의 실행을 관리하며, Operation을 담는 큐(Queue)
큐에 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.
Operating Queue의 좀 더 많은 사용법을 알고 싶은신 분은 Concurrency Programming Guide를 참고하시면 됩니다.

결론

GCD vs Operation Queue

Operation Queue에서는 동시에 실행할 수 있는 Operation의 최대 수를 지정할 수 있습니다.
Operation Queue에서는 Operation을 일시 중지, 다시 시작 및 취소를 할 수 있습니다.
Operation Queue에서는 KVO를 사용할 수 있는 많은 프로퍼티들이 있습니다.

isCancelled, isAsynchronous, isExecuting, isFinished, isReady, dependencies, queuePriority, completionBlock

GCD는 앞선 기능이 없습니다. Operation Queue를 좀 더 쉽게 쓸 수 있도록 개발한 것으로 좀 더 오버헤드가 있지만 사용하기에 매우 간편합니다.

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