[iOS] - GCD 2. GCD & Operations

in APP on iOS


GCD & Operations

앱을 concurrent하게 만드는 데 사용할 수 있는 두 개의 API가 있다.

  1. Grand Central Dispatch, GCD
  2. Operation

Operation 클래스는 GCD를 기반으로 구현되었다.

이 글에서는 다음의 내용들을 볼 것이다.

  • GCD와 Operation이 무엇인지
  • Sync (동기)와 Async (비동기)의 차이
  • Serial 큐와 Concurrent 큐의 차이

Grand Central Dispatch

GCD는 작업들(메서드/클로저)들을 큐에 넣어서 가용 자원에 따라 병행해서 실행할 수 있게 하는 라이브러리다. libdispatch 라이브러리라고도 불리고, Apple이 C 언어로 개발했다. GCD Github 페이지에 의하면 GCD는 멀티코어 하드웨어 환경에서 코드를 병행적으로 실행할 수 있게 지원하는 라이브러리다.

즉 GCD는 간단하게 정리하면 작업을 병행적으로 실행할 수 있게 해주는 라이브러리다.

그렇다면 왜 이런 작업을 해주는 라이브러리를 따로 사용하는 것일까? GCD는 내부적으로 구현부에서 thread를 사용한다. GCD를 사용했을 때 개발자로서 편리한 점은 이런 thread들을 개발자가 직접 관리하지 않아도 되기 때문이다. GCD를 사용하지 않고 thread를 생성해서 작업을 직접 넣으려면 굉장히 많은 양의 코드를 작성해야 하는데, GCD를 사용한다면 굉장히 적은 양의 코드로 같은 작업을 할 수 있다.

GCD에서 관리하는 모든 작업들은 GCD에서 관리하는 FIFO(First-In, First-Out) 큐에 들어갔다 나오게 된다. 큐에 전송된 작업들은 시스템이 관리하는 thread pool에서 실행되게 된다. 즉 개발자는 작업을 만들어서 GCD 큐에 넣기만 하면 되고, 어떤 thread에서 실행할지는 GCD가 결정한다. 참고로 작업을 실행할 때 어떤 thread가 작업을 실행하는지는 보장되지 않는다.

컴퓨터 공학에서 thread pool이란 컴퓨터 프로그램을 병행적으로 실행하기 위한 소프트웨어 디자인 패턴이다. Thread pool은 여러 개의 스레드들을 관리하고, 스레드들은 작업이 자신에게 할당되기를 기다린다.

즉 작업을 큐에 넣어서 병행적으로 실행시키는데, 작업을 어떻게 실행시킬지, 어떤 큐에 작업을 실행시킬지를 아래와 같이 구분해서 실행할 수 있다.

  • 작업 : sync (동기) / async (비동기)
  • 큐 : serial / concurrent

Synchronous and asynchronous tasks

큐에 넣어진 작업들은 두 가지 형태로 실행될 수 있다.

  • Synchronous (동기) : 앱은 현재 실행하고 있는 작업이 끝날 때까지 현재의 run loop를 block 시킨후 기다리고, 끝나면 다음 작업을 실행한다.
  • Asynchronous (비동기) : 비동기 작업을 실행하면 작업이 끝날 때까지 기다리지 않고, 작업이 실행되는 동안 다른 작업을 실행할 수 있다.

GCD에서 사용하는 큐가 FIFO이지만, 작업이 큐에 넣어진 순서대로 끝나는 것은 아니다. FIFO 순서는 작업이 시작하는 순서만 보장하고, 끝나는 것은 순서를 보장할 수 없다.

일반적으로는 이미지 다운로드 작업과 같이 오래 걸리고, UI를 업데이트하지 않는 작업을 백그라운드에서 비동기적으로 실행한다.

코드를 대강 보면 아래와 같다. 1. 큐를 생성하고, 2. 백그라운드 thread에서 작업을 비동기적으로 실행하게 전달하고, 3. 작업이 완료되면 main thread에 코드를 위임해서 main thread에서 UI를 업데이트하게 한다.

// 1. 큐 생성
let queue = DispatchQueue(label: "y00jin")

// 2. 작업을 비동기로 실행시킬게요
queue.async {
    // 오래 걸리는 작업 수행
    
    // 3. main thread에 작업 위임
    DispatchQueue.main.async {
        // UI 업데이트
    }
}

Serial and concurrent queues

앞서서 작업의 실행 형태에 두 가지가 있다고 했는데, 작업을 넣는 큐도 두 종류가 있다.

  • Serial : Serial 큐는 하나의 thread만 있어서 한 번에 하나의 작업만 실행할 수 있다.
  • Concurrent : Concurrent 큐는 자원이 허용하는 한 많은 thread를 사용할 수 있기 때문에 필요한 한 많은 thread들이 생성된다.

사진

Concurrent 큐를 사용해도, 여러 개의 작업이 동시에 실행된다는 보장이 없다. 만약 자원이 매우 한정적인 상황이라면 오로지 하나의 작업만 수행할 수도 있다.

Asynchronous != Concurrent

Sync/Async 와 Serial/Concurrent를 비슷한 개념으로 혼동하는 경우가 정말 많다. 하지만 이 둘은 전혀 다른 개념이다. Async 작업이라 해서 concurrent하게 실행되는 것이 절대 아니다.

  • Sync/Async : 작업을 실행하는 큐가 작업이 끝날때까지 기다려야 하는지, 아니면 다른 작업을 실행할 수 있는지 여부
  • Serial/Concurrent : 작업을 실행할 수 있는 thread가 하나인지, 여러 개가 있는지 여부

따라서 serial/concurrent 큐에 sync/async 작업을 수행하는 경우의 수 4가지가 나올 수 있다.

  1. Serial 큐에 sync 작업 3개 수행
  2. Serial 큐에 async 작업 3개 수행
  3. Concurrent 큐에 sync 작업 3개 수행
  4. Concurrent 큐에 async 작업 3개 수행

Operation

작업들 간의 의존성을 추가하는 등의 더 복잡한 작업을 수행할 때 Operation 클래스를 상속해서 수행할 수 있다.

GCD에서 DispatchQueue에 수행할 클로저를 전달했던 것처럼, Operation에서도 OperationQueue에 Operation을 전달할 수 있다.

Operation객체는 operation을 실행하기에 안전한지 판단하고, 생애주기동안 operation이 진행되는 것을 클라이언트에게 알리기 위해 내부적으로 상태를 갖는다. Operation은 다음의 상태를 가질 수 있다.

  • isReady
  • isExecuting
  • isCancelled
  • isFinished

BlockOperation

Opeartion이 추상 클래스이기 때문에, Operation을 직접 사용할 수는 없고 시스템에서 정의된 자식 클래스 중 하나인 BlockOperation을 사용할 수 있다. BlockOperation은 하나 이상의 블럭을 기본 global 큐에서 병행적으로 실행하는 것을 관리한다. 이 클래스를 사용해서 여러 개의 operation 객체를 생성하지 않고 여러 개의 블럭을 동시에 실행시킬 수 있다.

어떤 것을 고를지

  • GCD
    • 실행하고 바로 잊어비릴 수 있는 비교적 간단한 작업에 주로 사용한다.
  • Operation
    • Operation은 내부적으로 GCD를 사용해서 구현했고, GCD에 비해 작업을 다루는 데 더 많은 기능을 제공한다. (두 작업 간의 의존성 설정 등) 데이터를 캡슐화할 필요가 있는 객체를 사용하거나 더 많은 기능을 사용하고 싶을 때 사용한다.

GCD와 Operation을 비교할 때 많이 나오는 말 중 하나는 GCD는 작업의 취소 기능을 기본적으로 지원하지 않는다는 것인데, GCD에서도 DispatchWorkItem 을 사용해서 작업을 쉽게 취소할 수 있다.

  • 참고
  • https://github.com/apple/swift-corelibs-libdispatch
  • https://byby.dev/gcd
  • https://en.wikipedia.org/wiki/Thread_pool
  • https://stackoverflow.com/questions/7078658/operation-queue-vs-dispatch-queue-for-ios-application
  • https://developer.apple.com/documentation/foundation/operation
  • https://developer.apple.com/documentation/foundation/blockoperation