자바 병렬 프로그래밍

이 책을 쓰는 시점에도 일반적인 데스크탑 시스템에서조차 멀티코어 프로세서가 비싸지 않은 가격으로 대중화되어 가고 있다. 우연찮게 수많은 개발팀이 진행하는 프로젝트에서 스레드와 관련된 버그가 자꾸만 늘어나고 있다는 사실을 쉽게 알 수 있다. 넷빈즈(NetBeans) 개발 사이트에 최근에 올라온 글을 보면, 단 하나의 클래스를 놓고 스레드 관련 문제점을 수정하기 위해 14번이나 코드를 수정했다는 사실을 핵심 유지보수 담당자가 알아차린 사례도 있다. TheServerSide의 편집장을 지냈던 디온 앨메어는 (결국 스레드 관련 문제라고 결론이 나왔던 고통스러운 디버깅 작업을 끝낸 이후에) 대부분의 자바 프로그램이 "어쩌다보니 실수로 동작하는" 것일 뿐이며 스레드 관련 버그가 굉장히 자주 발생한다는 내용의 블로그 포스트를 올린 적도 있다.

스레드 관련 오류는 예측 가능한 상태로 스스로를 드러내는 법이 거의 없기 때문에 스레드를 사용하는 프로그램을 개발하고 테스트하고 디버그하는 일은 실제로 엄청나게 어려운 일이 될 수 있다. 게다가 문제점은 항상 최악의 시점, 즉 실제 사용 환경에서 부하가 많이 걸릴 때 주로 나타난다.

자바로 병렬 프...이 책을 쓰는 시점에도 일반적인 데스크탑 시스템에서조차 멀티코어 프로세서가 비싸지 않은 가격으로 대중화되어 가고 있다. 우연찮게 수많은 개발팀이 진행하는 프로젝트에서 스레드와 관련된 버그가 자꾸만 늘어나고 있다는 사실을 쉽게 알 수 있다. 넷빈즈(NetBeans) 개발 사이트에 최근에 올라온 글을 보면, 단 하나의 클래스를 놓고 스레드 관련 문제점을 수정하기 위해 14번이나 코드를 수정했다는 사실을 핵심 유지보수 담당자가 알아차린 사례도 있다. TheServerSide의 편집장을 지냈던 디온 앨메어는 (결국 스레드 관련 문제라고 결론이 나왔던 고통스러운 디버깅 작업을 끝낸 이후에) 대부분의 자바 프로그램이 "어쩌다보니 실수로 동작하는" 것일 뿐이며 스레드 관련 버그가 굉장히 자주 발생한다는 내용의 블로그 포스트를 올린 적도 있다.

스레드 관련 오류는 예측 가능한 상태로 스스로를 드러내는 법이 거의 없기 때문에 스레드를 사용하는 프로그램을 개발하고 테스트하고 디버그하는 일은 실제로 엄청나게 어려운 일이 될 수 있다. 게다가 문제점은 항상 최악의 시점, 즉 실제 사용 환경에서 부하가 많이 걸릴 때 주로 나타난다.

자바로 병렬 프로그램을 작성할 때 넘어야 할 가장 큰 산중의 하나는 플랫폼에서 제공하는 병렬 프로그래밍 기법과 개발자가 자신의 프로그램에서 병렬 프로그래밍 기법을 어떻게 사용하려 하는지 간에 큰 차이가 있다는 점이다. 자바 언어에서는 동기화나 조건부 대기와 같은 저수준의 도구(mechanism)를 제공하지만, 이런 도구를 사용해 애플리케이션 수준의 규칙이나 정책(policy)을 일관적으로 구현할 수 있어야 한다. 컴파일 잘 되고 실행도 잘 된다고 생각되는 프로그램은 쉽게 작성할 수 있겠지만, 이런 정책이 없다면 오류가 금새 나타나고야 만다. 병렬 프로그래밍에 대한 다른 훌륭한 책이 많지만 대부분 설계 수준의 정책이나 패턴에 대해서 다루기 보다는 저수준의 API에 집중하고 있어 이와 같은 정책의 중요성에 대처하는 면이 부족했다고 생각된다.

자바5.0은 고수준의 컴포넌트와 저수준의 도구를 모두 제공하기 때문에 초보자나 전문가 모두가 병렬 프로그램을 쉽게 작성할 수 있게 되었다는 점에서 큰 발전을 이뤘다고 볼 수 있다. 이런 기능을 실제로 구현하는데 참여했던 JCP 전문가 그룹에서 이 책을 쓰는데 많이 참여했다. 추가된 기능과 동작하는 구조를 설명하는 것뿐만 아니라 그 기반이 되는 디자인 패턴과 함께 플랫폼 라이브러리에 추가되는데 중요한 역할을 했던 예상 활용 시나리오도 함께 소개한다.

이 책을 읽는 독자는 여러 가지 설계상의 규칙을 이해하고, 또한 자바 클래스나 애플리케이션이 올바르게 높은 성능으로 동작하도록 작성하는 과정이 더 쉽고 재미있는 일이 되도록 만들고자 하는 목표가 있다.

『자바 병렬 프로그래밍』을 즐겁게 읽고 유익하게 활용하길 바란다.

--- 저자 서문, 브라이언 괴츠(Brian Goetz)

학교를 졸업하고 처음 회사에 취직한 이후에 담당했던 개발 업무 가운데 상당 부분은 자바로 서버 프로그램을 작성하는 일이었습니다. 수십에서 수백 대에 이르는 클라이언트를 대상으로 24시간 동작하는 서버를 작성하는 업무는 꽤나 재미있었습니다. 몇 날 며칠을 고생해서 만든 서버 프로그램이 어딘가 누군가의 서버에 설치되어 24시간 동작하면서 제 할 일을 하고 있는 모습을 보면 건방지게도 자식이 제 할 일을 잘 할 때 부모가 받았을 느낌을 느낄 수 있었다고도 생각합니다.

하지만 어려운 병렬 처리 이론이 아닌 멀티스레드를 사용해 프로그램하는 실습 위주의 교육을 받은 적이 없는지라, 단순하게 멀티스레드로만 동작하는 '자식같은' 프로그램이 알 수 없는 오류를 뿌리면서 곳곳에서 뻗어버리는 모습을 보면 참 안타까웠습니다 (오류라도 뿌리고 죽으면 그나마 다행입니다). 예전 버전의 자바는 운영체제마다 스레드의 동작 모습이 많이 달라서 어려운 점도 많았습니다. 운영체제마다 다른 스케줄링 문제를 해결하기 위해 전반적인 성능을 떨어뜨리면서 쓸모없는 I/O 구문을 추가하는 작업도 서슴치 않았습니다. 이후 스레드 풀을 적용해 서버의 안정성을 크게 높여주고, 스핀락(spin-lock)을 사용했던 부분에 wait-notify 구조를 적용해 CPU 부하를 크게 줄이기도 했습니다. 그러던 도중에 자바5.0이 발표되고, 병렬 프로그래밍을 위한 도구가 엄청나게 많이 제공되기 시작했습니다. 여기저기 찾아보며 만들고 안정화하느라 애를 먹었던 스레드 풀을 메소드 호출 한방으로 만들 수 있었으며, 훨씬 다양한 병렬 프로그래밍 기능을 더 안정적으로 제공받을 수 있게 되었죠.

이제 어느 프로그램에나 멀티스레드 구조를 활용하는 일은 거의 기본이 되어갑니다. 제가 요즘 맡은 개발 업무에서도 완전히 서로 다른 분야의 동떨어진 목표를 향해 개발하지만, 어느 곳 하나 스레드를 활용하지 않는 프로젝트가 없습니다. 서버에서는 한정된 컴퓨터 자원을 최대한 활용해 가장 효율적으로 서비스를 제공하고자 하고, 클라이언트 PC에서는 동적인 인터페이스와 함께 많은 정보를 실시간으로 얻고자 하죠. 단순히 언어와 관련된 문제는 아닙니다. 자바이건 C#이건 PHP이건 간에 항상 멀티스레드 환경을 생각해야 합니다. 직접 스레드를 만들지 않더라도 외부의 어디선가 반드시 스레드를 사용하는 부분이 있게 마련입니다.

이런 시점에 스레드를 활용한 병렬 처리에 대한 실제적인 예제와 패턴을 적용한 사용 예를 소개하는 너무나 반가운 책이 바로 『(멀티코어를 100% 활용하는) 자바 병렬 프로그래밍』입니다.

병렬 프로그램을 작성할 때 보통은 자바5.0부터 추가된 java.util.concurrent 패키지에 대한 여러 문서를 보면서 대충 이해하고 사용하곤 하지만, 『자바 병렬 프로그래밍』은 이런 기능을 충분히 이해한 상태에서 활용하도록 도와주고 있습니다. 아주 간단한 클래스를 담당해 개발하고 있다고 해도, 해당 클래스가 큰 규모의 프로그램에서 기본적인 부분으로 널리 사용된다면 이 책에서 소개하는 기법을 적절히 적용해 전체 프로그램의 안전성을 확보하면서 성능을 크게 높일 수 있습니다. 그리고 병렬 프로그래밍에 대한 기초를 다지고 나면, 기존에 잊을만 하면 한 번씩 오류를 뱉어내면서 문제가 생기던 프로그램에 어떤 원인이 있을 수 있는지 쉽게 추적할 수도 있습니다. 『자바 병렬 프로그래밍』이 전문적인 이론서는 아니지만, 이론을 소홀하게 다루지도 않습니다. 또한 자바 언어를 기반으로 한다는 가정하에 쓰여진 책입니다만, 일반적인 병렬 처리 이론을 적용한 부분이 많으며 하드웨어나 시스템 구조와 관련된 부분도 적지 않기 때문에 다른 언어에도 쉽게 적용할 수 있는 내용이 많습니다.

한발 더 나아가 미래를 내다보는 개발자는 이미 단일 컴퓨터 내부에서의 병렬 처리를 넘어 여러 대의 컴퓨터에서 병렬로 동작하는 플랫폼을 찾고 있고, 이와 같은 분산 병렬 처리 플랫폼이 한창 인기를 얻는 요즘입니다. 이런 대규모의 병렬 처리 플랫폼도 중요하긴 하지만, 그 안에서는 항상 단일 프로세스 내부에서 동작하는 여러 스레드가 안정적으로 실행되도록 하는 병렬 처리 기법이 적용되어 있음을 잊어서는 안될 것입니다.

재미있겠다고 생각은 했지만 내용이 어렵겠다고 지레 겁을 먹고 사양했던 번역 작업인데, 결국 이제야 끝마치게 되었습니다. 나름 서버 프로그래밍을 통해 경험을 많이 쌓았다고 생각했지만 책을 꼼꼼히 읽는 과정에서 배운 점이 더 많았습니다. 여러분 모두 이 책을 통해 자신있게 스레드를 널리 활용하고 결과물의 성능과 안전성을 높일 수 있게 되길 바랍니다.

참고로, 이 책에서 '병렬'이라는 단어로 표시한 내용의 대부분은 'concurrent'라는 영어 단어를 의미합니다. concurrent의 뜻은 특히 컴퓨터 용어로 쓰일 때 '동시에 실행되는 코드의 흐름'이라고 풀어 쓸 수 있겠습니다. 원래 '병렬'은 일반적으로 'parallel'이라는 단어를 번역할 때 많이 사용합니다. 하지만 parallel과 concurrent는 약간의 뉘앙스 차이가 있음에도 불구하고 비슷한 의미로 볼 수 있기 때문에 '병렬'이라는 단어를 사용했다는 점을 알립니다.

마지막으로 이 책을 번역할 수 있게 물심 양면으로 도움을 아끼지 않았던 아내 선영과 아들 강헌에게 고맙다는 인사를 전합니다. 가족은 항상 저를 든든하게 만드는 능력이 있습니다.

--- 역자 서문

[기초]
1부(2장~5장)는 병렬 프로그래밍과 스레드 안전성에 대한 기본 개념을 설명하고, 자바 클래스 라이브러리에서 제공하는 스레드 안전한 클래스를 어떻게 활용해야 하는지를 소개한다. 1부에서 소개한 여러 규칙 가운데 가장 중요한 부분은 "핵심 요약" 부분에 정리해놓았다.

[병렬 애플리케이션 구성]
2부(6장~9장)에서는 스레드를 어떻게 사용하면 병렬 애플리케이션의 성능과 응답성을 높일 수 있는지에 대한 내용을 다룬다.

[가용성, 성능, 테스팅]
3부(10장~12장)는 개발자가 실제 하고자 했던 기능을 병렬 프로그램이 제대로 처리하는지를 확인하는 방법과 함께 적당한 시간 이내에 원하는 기능을 처리할 수 있는지 여부도 확인할 수 있는 방법을 살펴본다.

[고급]
4부(13장~16장)는 명시적인 락, 단일 연산 변수, 넌블로킹 알고리즘, 입맛에 맞는 동기화 클래스를 작성하는 방법 등 어느 정도 경험을 쌓은 개발자가 관심을 가질 만한 고급 주제에 대해 살펴본다.

자바5.0과 자바6 버전에서 자바 플랫폼에 추가된 병렬 프로그래밍 기법을 설계하고 구현하는 멋진 팀에서 일할 수 있어서 너무나 행운이라고 생각합니다. 이제 그 멋진 팀에서 병렬 프로그램을 위한 새로운 기능뿐만 아니라 전반적인 병렬 프로그래밍 관련 내용까지 설명하고 있습니다. 병렬 프로그램은 더 이상 고급 개발자만이 할 수 있는 일이 아닙니다. 자바 개발자라면 반드시 읽어봐야 할 책입니다. - 마틴 부시홀즈 Martin Buchholz (썬마이크로시스템즈 JDK 병렬 프로그래밍 전문가)

지난 30년간 컴퓨터 프로그램의 성능은 무어의 법칙(Moore's Law)에 따라 성장해왔습니다. 하지만 이제부터는 암달의 법칙(Amdahl's Law)에 의해 발전하게 될 것입니다. 여러 개의 프로세서를 효율적으로 활용하는 프로그램을 작성한다는 건 굉장히 어려운 일입니다. 『자바 병렬 프로그래밍』은 최신 하드웨어 또는 앞으로 사용하게 될 미래의 시스템에서 안전하면서 확장성 높게 동작할 수 있는 자바 프로그램을 작성하는 데 꼭 필요한 개념과 기법을 소개합니다. - 도런 레이원 Doron Rajwan (인텔 연구 과학자)

멀티스레드로 동작하는 자바 프로그램을 개발하거나 설계하거나 디버깅하고 있거나 유지보수하고 있거나 그냥 자세히 뜯어보고 있기라도 하다면 반드시 읽어야 할 책입니다. 메소드에 synchronized 키워드를 적어 넣으면서 왜 그래야만 하는지를 충분히 이해하지 못하고 있었다면 본인뿐 아니라 메소드를 사용하는 사용자도 함께 이 책을 처음부터 끝까지 읽어야 합니다. - 테드 뉴워드 Ted Neward (Effective Enterprise Java의 저자)

저자인 브라이언은 병렬 프로그램과 관련된 원론적인 부분과 그 복잡성을 독보적인 명료함으로 담아내고 있다. 스레드를 사용하거나 성능에 신경을 써야 하는 모든 개발자가 반드시 읽어야 할 책이다. - 커크 페퍼다인 Kirk Pepperdine (JavaPerformanceTuning.com의 CTO)

이 책에서는 매우 심도있고 세밀한 내용까지 깔끔하고 명료하게 다루고 있으며, 자바 병렬 프로그래밍에 대한 완벽한 참고 매뉴얼이라고 할 수 있다. 개발자 입장에서 일상적으로 다뤄야 하는 다양한 문제점(뿐만 아니라 그 해결책까지)을 자세히 담았다. 무어의 법칙을 통해 더 빠른 프로세서를 만드는 대신 더 많은 프로세서를 사용하는 게 일반화되어 가고 있기 때문에 병렬 프로그램을 효과적으로 작성하는 방법이 점점 더 중요해지고 있으며, 이 책에서 바로 그런 방법을 소개하고 있다. - 클리프 클릭 박사 Dr. Cliff Click (Azul Systems의 선임 소프트웨어 엔지니어)

개인적으로 병렬 프로그래밍에 관심이 매우 높으며, 어떤 개발자보다도 더 많은 스레드 데드락을 경험해봤으며 동기화 기법을 잘못 사용해본 경험 역시 훨씬 많을지도 모릅니다. 『자바 병렬 프로그래밍』은 자바에서의 스레드와 병렬 프로그래밍에 대해 가장 읽을 만한 책이며, 어려운 주제를 놀랍도록 쉬운 예제로 풀어나가고 있습니다. 이 책은 재미있으면서 굉장히 유용하고 또한 자바 개발자라면 자주 맞닥뜨리는 문제를 직접 다루고 있기 때문에 The Java Specialists' Newsletter의 독자 모두에게 추천하고 싶은 책입니다. - 하인즈 캐뷰츠 박사 Dr. Heinz Kabutz (The Java Specialists' Newsletter)

지금까지 단순한 문제를 단순화하는 일을 해왔지만, 이 책은 복잡하면서도 아주 중요한 주제인 병렬 프로그래밍에 대한 내용을 야심차게 게다가 효과적으로 간결하게 다루고 있습니다. 『자바 병렬 프로그래밍』의 접근 방법은 굉장히 혁신적이며 이해하기 쉽게 쓰여졌고, 적절한 시점에 필요한 내용을 담았습니다. 반드시 굉장히 중요한 책이 되리라고 생각합니다. - 브루스 테이트 Bruce Tate (Beyond Java의 저자)

『자바 병렬 프로그래밍』은 자바 개발자에게 꼭 필요한 스레드 관련 노하우를 집대성한 위대한 책입니다. 자바 병렬 프로그래밍 API에 대한 훌륭한 가이드이기도 하지만, 어디에서도 찾아볼 수 없을 스레드 관련 전문 지식을 하나도 빼놓지 않으면서도 쉽게 접근할 수 있도록 다루고 있기 때문에 이 책을 읽다 보니 지적인 흥분을 느낍니다. - 빌 베너스 Bill Venners (Inside the Java Virtual Machine의 저자)