C# - async/await 그리고 스레드 (1) MyTask로 재현
안 그래도 요 근래, async/await에 대한 정리를 한번 해야겠다는 생각이 들었는데 마침 질문해 주신 분이 계시군요. ^^
교재 689, 690쪽(async/await) 질문입니다.
; https://www.sysnet.pe.kr/3/0/5658
C#의 async/await 문법이, 너무나 자연스럽게 비동기 처리를 해주는 것은 장점이지만, 한편으로는 그 추상화 수준이 너무 높아서 그 기반을 잘 이해하지 못하게 됩니다. 사실 이것도 전에 한번 설명한 글이 있지만,
C# 컴파일러 대신 직접 구현하는 비동기(async/await) 코드
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11351
이번엔, 다른 각도에서 저 내용을 풀어 보겠습니다.
가령, 다음과 같이 Main 메서드에서 비동기 메서드를 호출했다고 가정해 보겠습니다.
internal class Program
{
static async Task Main(string[] args)
{
Console.WriteLine($"1단계: threadid == {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
await new MyClass().TestAsync();
Console.WriteLine($"2단계: threadid == {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
}
}
여기서 중요한 것은, TestAsync가 비동기 메서드라는 점이 아닙니다. 저건 그냥 일반 메서드 호출과 동일하게 바라보면 됩니다. 그러니까, 단순히 Main 메서드를 실행하던 스레드는 TestAsync 메서드를 호출한 것입니다.
오히려 주목해야 할 것은, "async"로 지정된 Main 메서드를 C# 컴파일러가 2단계의 코드로 분할한다는 점입니다.
// 분할 1) - Main 메서드에 진입한 스레드가 실행
Console.WriteLine($"1단계: threadid == {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
new MyClass().TestAsync();
// 분할 2) - TestAsync 내부의 구현에 따라 실행 스레드가 달라짐
Console.WriteLine($"2단계: threadid == {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
처음 스레드가 Main 메서드를 진입하면 "분할 1"에 해당하는 코드를 실행합니다. 앞서 언급했듯이, TestAsync 메서드의 호출은 그냥 일반적인 메서드 호출과 다를 바가 없습니다. 그런 다음 Main 메서드를 수행한 스레드는 (분리된) "분할 2" 코드의 존재를 모르고 그냥 지나가 버립니다.
그렇다면, 이제 문제는 "분할 2"의 코드를 "누가", "언제" 실행하냐는 것이 남습니다.
사실, TestAsync 내부의 구현은 천차만별일 수 있습니다. 이해를 위해, "동기" 호출만을 담은 메서드의 구현으로,
// C# - 동기 방식이면서 비동기 메서드처럼 구현한 사례
// ; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11431
class MyClass
{
public Task TestAsync()
{
TaskCompletionSource src = new TaskCompletionSource();
try
{
Console.WriteLine($"TestAsync called! (threadid == {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId})");
src.SetResult();
}
catch (Exception e)
{
src.SetException(e);
}
return src.Task;
}
}
실행해 보면, 결과는 이렇게 나옵니다.
1단계: threadid == 1
TestAsync called! (threadid == 1)
2단계: threadid == 1
보다시피, await 호출에 따른 "분할 1", "분할 2"를 실행하는 스레드가 동일합니다. 왜냐하면, 위의 TestAsync는 Task 타입은 반환하지만, 내부에서 그 어떤 스레드 생성 및 비동기 호출도 포함하지 않기 때문입니다. 그러니까, 단지 그냥 순서대로 실행을 하게 되는 것뿐입니다.
실행 흐름을 파악하기 위해 Main 측 코드를 좀 더 자세하게 들여다볼까요?
await new MyClass().TestAsync();
위의 코드는 개념상 다음과 같이 나뉘었다고 보면 됩니다. (물론, C#의 자동 생성 코드를 많이 생략한 구조입니다.)
Task task = new MyClass().TestAsync();
if (task.IsCompleted == true)
{
// "분할 2" 코드 영역 실행
} else { ...[생략]... }
TestAsync 메서드는 TaskCompletionSource의 Task 속성을 반환하는데요, 해당 Task 인스턴스는 "Completed" 상태 값을 가진 껍데기에 불과한 인스턴스입니다. 즉, 위와 같은 코드의 흐름에서는 모든 코드가 동기식으로, 그냥 순서대로, 단일 스레드에 의해 실행이 됩니다.
이해가 되시나요? 되셔야 합니다. ^^ 위의 코드는 비동기를 담고 있진 않지만, 결국 async/await의 기본적인 호출 구조를 아주 잘 나타내주고 있기 때문입니다.
이후의 설명을 진행하려면, 아쉽게도
BCL에서 제공하는 System.Threading.Tasks.Task로는 할 수 없습니다. Task는 생각보다 폐쇄적이어서 async/await의 흐름을 직접 제어하는 것이 불가능하기 때문에, 예시를 들기 위한 목적의 세세한 제어를 하려면 Task와 Awaiter를 사용자 정의해야 합니다. 이에 대해서는 전에 설명한 글이 있으므로,
C# - await을 Task 타입이 아닌 사용자 정의 타입에 적용하는 방법
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11456
이를 기반으로 한 단계씩 코드를 넓혀 보겠습니다.
우선, 이제까지 설명한 위의 동작을 다음과 같은 MyTask와 MyTaskAwaiter를 이용해 대체할 수 있습니다.
using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
internal class Program
{
static async Task Main(string[] args)
{
Console.WriteLine($"1단계: threadid == {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
await new MyDummy().DoAsync();
Console.WriteLine($"2단계: threadid == {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
}
}
class MyDummy
{
public MyTask DoAsync()
{
Console.WriteLine($"DoAsync called! (threadid == {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId})");
MyTask _task = new MyTask();
return _task;
}
}
public class MyTask
{
bool _completed = true;
public bool Completed => _completed;
public MyTaskAwaiter GetAwaiter()
{
MyTaskAwaiter ta = new MyTaskAwaiter(this);
return ta;
}
public struct MyTaskAwaiter : ICriticalNotifyCompletion, INotifyCompletion
{
MyTask _task;
public MyTaskAwaiter(MyTask task)
{
_task = task;
}
public bool IsCompleted
{
get { return _task.Completed; }
}
public void GetResult()
{
}
public void OnCompleted(Action continuation)
{
}
public void UnsafeOnCompleted(Action continuation)
{
}
}
}
Main 메서드의 구현 코드는 동일하다는 것을 염두에 두시고, 단지 Task를 MyTask로, TaskAwaiter를 MyTaskAwaiter로 바꾼 것뿐입니다. 그리고 MyTask의 상태가 처음부터 IsCompleted를 true로 반환하기 때문에 이 예제 코드의 동작은 이전에 TaskCompletionSource를 이용했던 것과 완전히 동일한,
1단계: threadid == 1
DoAsync called! (threadid == 1)
2단계: threadid == 1
실행 결과를 보입니다. 여기까지도 이해하셨죠? ^^
자, 그럼 이 상태에서 IsCompleted가 false를 반환한다면 어떻게 될까요?
public class MyTask
{
bool _completed = false;
public bool Completed => _completed;
// ...[생략]...
}
마찬가지로 "await new MyDummy().DoAsync();" 코드는 다음과 같은 방식으로 동작하기 때문에,
MyTask task = new MyDummy().DoAsync();
if (task.IsCompleted == true)
{
// "분할 2" 코드 실행
} else { ...[생략]... }
현재, IsCompleted가 false를 반환하므로 "분할 2" 영역의 코드는 실행되지 않습니다. 대신 IsCompleted가 false인 상태라면 다음과 같은 식으로 "분할 2" 코드를 나중에 Task 스스로 실행하도록 등록하기 때문에,
MyTask task = new MyDummy().DoAsync();
if (task.IsCompleted == true)
{
// "분할 2" 코드 실행
}
else
{
task.GetAwaiter().UnsafeOnCompleted(...[분할 2] 코드);
}
우리가 구현한 MyTask도 (TaskAwaiter의 UnsafeOnCompleted를 경유해) "분할 2" 코드를 기억해 두어야 합니다.
public class MyTask
{
Action? _continuation;
// ...[생략]...
private void SetContinuation(Action continuation)
{
_continuation = continuation;
}
public struct MyTaskAwaiter : ICriticalNotifyCompletion, INotifyCompletion
{
// ...[생략]...
public void UnsafeOnCompleted(Action continuation)
{
_task.SetContinuation(continuation);
}
}
}
자, 이제 중요한 것은, 저 Task를 Completed 상태로 만들고 등록된 continuation을 실행해야 한다는 점입니다. 그리고, 당연히 그 작업을 수행하는 스레드가 있어야 합니다. 여기서 이 스레드는 하늘에서 뚝딱 떨어지는 것이 아닙니다. 즉, 우리가 제공해야 하는 것입니다.
1) 그러니까, async/await에서 "비동기 I/O" 호출을 할 때는 I/O가 완료되는 시점에 CLR ThreadPool과 연동이 되어 풀의 스레드 하나가 선택돼 await 이후의 "분할 2" 코드를 실행합니다.
2) 만약 I/O 동작이 아니라면, 그런 경우에도 우리는 (보통은) Task.Run을 이용해 우리가 직접 스레드 풀의 스레드를 하나 빌려와 특정 동작을 수행한 후 "분할 2" 코드를 실행하는 것입니다.
3) 그리고, 이 글의 처음에 선보였던 예제는, "비동기 I/O"도 아니고, Task.Run도 호출하지 않았으므로 별도의 스레드가 선택되지 않았고, 따라서 "분할 2" 코드를 그냥 동기적으로 async 메서드를 호출했던 스레드가 이어서 실행한 것에 불과합니다.
여기까지의 설명을 이해했으면, 이제 위에서 IsCompleted가 false를 반환함으로 인해 "분할 2" 코드를 수행할 수 없었던 상황을 개선할 수 있습니다. BCL이 제공하는 Task의 경우 스레드 풀의 스레드를 활용하지만, 우리가 만드는 MyTask는 직접 생성한 스레드로 이 과정을 구현하면 다음과 같이 나옵니다.
internal class Program
{
static async Task Main(string[] args)
{
Console.WriteLine($"1단계: threadid == {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
await new MyDummy().DoAsync();
Console.WriteLine($"2단계: threadid == {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
}
}
class MyDummy
{
public MyTask DoAsync()
{
MyTask _task = new MyTask(() =>
{
Console.WriteLine($"DoAsync called! (threadid == {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId})");
});
return _task;
}
}
public class MyTask
{
Action? _continuation;
// ...[생략]...
public MyTask(Action action)
{
ParameterizedThreadStart taskAction = (arg) =>
{
Thread.Sleep(16); // Sleep을 넣은 목적은 나중에 설명합니다.
action();
this.SetComplete();
};
Thread t = new Thread(taskAction);
t.Start();
}
public void SetComplete()
{
_completed = true;
if (_continuation != null)
{
_continuation();
}
}
// ...[생략]...
}
이를 실행해 보면,
1단계: threadid == 1
DoAsync called! (threadid == 7)
2단계: threadid == 7
우리가 직접 만든 "스레드 (위의 결과에서는 id == 7)"를 통해 "분할 2" 코드를 수행하게 만들었기 때문에 위의 코드는 마치 Task를 이용해 작성한 아래의 코드와 완전히 동일하게 동작합니다.
using System;
internal class Program
{
static async Task Main(string[] args)
{
Console.WriteLine($"1단계: threadid == {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
await DoAsync();
Console.WriteLine($"2단계: threadid == {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
}
private static Task DoAsync()
{
return Task.Run(
() =>
{
Thread.Sleep(16);
Console.WriteLine($"DoAsync called! (threadid == {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId})");
});
}
}
위의 코드는 Task.Run으로 인해 스레드 풀에서 빌려온 스레드가 Run에 전달한 Action 코드도 수행하고, 이후 "await DoAsync()" 이후의 "분할 2"에 해당하는 코드도 수행합니다. 반면, 우리가 작성했던 MyTask는 수작업으로 생성한 스레드가 Action 코드도 수행하고, "await new MyDummy().DoAsync();" 이후의 코드도 수행한 것입니다.
(
첨부 파일은 이 글의 예제 코드를 포함합니다.)
그나저나, 저는 위의 MyTask와 Task 예제에 대해 모두 Thread.Sleep(16); 코드를 넣어두었습니다.
public MyTask(Action action)
{
ParameterizedThreadStart taskAction = (arg) =>
{
Thread.Sleep(16); // 16 의미
action();
this.SetComplete();
};
Thread t = new Thread(taskAction);
t.Start();
}
private static Task DoAsync()
{
return Task.Run(
() =>
{
Thread.Sleep(16); // 16 의미
Console.WriteLine($"DoAsync called! (threadid == {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId})");
});
}
이유가 뭘까요? 내친김에 설명을 해야 할 텐데, 이야기가 너무 길어져 이쯤에서 글을 나눠야겠습니다. ^^;
async/await 그리고 스레드 (2) MyTask의 호출 흐름
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/13056
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