[Dart] Dart의 비동기 프로그래밍
지금 하고 있는 프로젝트에서 백그라운드에서 일정 시간마다 위치 정보를 가져와 API를 호출하는 기능을 구현해야 하는데 일단 “돌아가게만 해보자!” 하는 심정으로 있는 써드 파티 라이브러리는 다 적용해봤단 말임?
근데 마땅한 해결책이 나오지 않아서 답답해 미치겠는 와중에 공부하는 겸 일단 비동기부터 정리하는 게 낫겠다 싶어서 공식 문서부터 차근차근 읽어보기로 함
잘못된 부분은 언제든지 피드백 댓글 남겨주세요!
📌 원본 글: Concurrency in Dart
이 문서에서는 동시 프로그래밍이 어떻게 동작하는지, 다트에서 제공하는 비동기 API (async-await, Future, Stream)와 프로세스를 분리된 별도의 코어로 이동시킬 수 있는 Isolates를 다룸
모든 다트 코드는 isolate에서 실행되고 기본 isolate(main isolate)에서 시작해 개발자가 필요에 따라 백그라운드로 실행하고 싶은 작업을 worker isolate로 만들어 백그라운드 작업을 수행할 수 있음
이렇게 새 isolate를 생성하면 해당 isolate는 1) 자체 메모리 2) 이벤트 루프를 가지게 되는데, 이 이벤트 루프는 다트에서 비동기 및 동시 프로그래밍을 가능하게 하는 핵심 요소임!
실용적인 예시를 보고 싶다면 Asynchrous Support, Isolates 문서를 참고하면 됨~! (요 문서들도 정리할 예정)
1️⃣ 이벤트 루프 Event Loop
개념
- 개발자가 작성한 프로그램의 코드를 실행하고 이벤트를 실행하는 역할
- Dart의 런타임 모델은 이 이벤트 루프에 기반
동작 방식
- 모든 이벤트는 이벤트 큐에 저장됨
- 이벤트의 예시: UI를 다시 그림 / 사용자가 화면을 터치 / 파일 입출력 등
- 앱은 이러한 이벤트들이 일어날 순서를 예측할 수 없기 때문에 이벤트들을 큐에 넣어놓고 큐에 들어온 순서대로 이벤트를 하나씩 처리
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while (eventQueue.waitForEvent()) {
eventQueue.processNextEvent();
}
이벤트 루프 모델의 동기적 특징
앞에서 설명한 동작 방식에 따르면 이벤트 루프 자체는 동기적이며 단일 스레드에서 돌아간다는 것을 알 수 있는데 그렇지만… 앱들은 동시에 여러가지 일을 처리해야 함
사용자가 어떤 버튼을 누르는 이벤트를 처리하는 동시에 http 요청들을 처리해야 하는 경우 이런 비동기적인 처리를 위해서 Dart는 여러가지 비동기 API들을 제공함 (Futures, Streams, and async-await) → 이벤트 루프의 ‘동기적 특징’을 해결하기 위해 설계됨
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http.get('https://example.com').then((response) {
if (response.statusCode == 200) {
print('Success!')'
}
}
- 이 코드는 그럼 어떻게 이벤트 루프에서 비동기적으로 동작하는 걸까?
- 이벤트 루프에서 실행되면
http.get을 호출하고 즉시Future을 반환 Future을 반환하면서 이벤트 루프에게 “http 요청이 처리될 때까지then()에서 기다리라”고 알려줌- http 요청이 처리되면 처리 결과를 인자로 전달하며
then()내부에 있는 콜백 부분을 실행
- 이벤트 루프에서 실행되면
2️⃣ 비동기 프로그래밍 하는 법 (3가지)
1. Futures
- 값 또는 오류가 비동기 처리의 결과일 때 사용
- 아래 코드는
Future<String>은 비동기 처리의 결과로String값이 나올 것이라는 걸 나타냄
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Future<String> _readFileAsync(String filename) {
final file = File(filename);
// .readAsString() returns a Future.
// .then() registers a callback to be executed when `readAsString` resolves.
return file.readAsString().then((contents) {
return contents.trim();
});
}
2. The async-await syntax (async-await 구문)
async-await키워드는 비동기 함수를 정의하고 비동기의 결과를 사용하겠다고 선언하는 것을 말함- 예1) 파일 입출력이 완료될 때까지 기다리는 동기적인 코드
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const String filename = 'with_keys.json';
void main() {
// Read some data.
final fileData = _readFileSync();
final jsonData = jsonDecode(fileData);
// Use that data.
print('Number of JSON keys: ${jsonData.length}');
}
String _readFileSync() {
final file = File(filename);
final contents = file.readAsStringSync();
return contents.trim();
}
- 예2) 예1과 비슷한 코드이지만 비동기적으로 동작한다는 점에서 다름
await키워드를 함수의 앞에 붙이면main()함수는 파일 입출력이 일어나는 동안 이벤트 핸들러 같은 다른 Dart 코드들이 실행될 수 있도록 함await는_readFileAsync()의 결과로서 리턴 받은Future<String>을String으로 변환시킬 수 있기 때문에 코드에서 contents는 암시적으로String- Dart 코드는
readAsString()이 런타임 혹은 OS에서 Dart가 아닌 코드를 실행하는 동안 일시 정지 →readAsString()이 값을 리턴하면 Dart 코드는 다시 시작
✏️ await 키워드는 함수의 바디 이전에 async 키워드를 붙여줘야 동작함
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await가 붙은 메소드의 작업이 이뤄질 때 해당 줄에서 다트 코드는 중단되지만 사용자가 버튼을 누르는 등의 이벤트 핸들러 같은 것들은 CPU가 제어권을 가지고 처리할 수 있음
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const String filename = 'with_keys.json';
void main() async {
// Read some data.
final fileData = await _readFileAsync();
final jsonData = jsonDecode(fileData);
// Use that data.
print('Number of JSON keys: ${jsonData.length}');
}
Future<String> _readFileAsync() async {
final file = File(filename);
final contents = await file.readAsString();
return contents.trim();
}
3. Streams
- 스트림의 형태로 비동기를 지원
- 스트림은 미래에 값들을 제공하며 반복적으로 시간에 걸쳐 값을 제공
- 예를 들어 시간의 흐름에 따라 일련의 정수 값을 제공하는 약속은
Stream<Int>의 타입을 가짐
- 예를 들어 시간의 흐름에 따라 일련의 정수 값을 제공하는 약속은
Stream.periodic()으로 생성된 스트림이 반복적으로 정수 값을 매 초마다 만들어내는 코드
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Stream<int> stream = Stream.periodic(const Duration(seconds: 1), (i) => i * i);
await-for & yield
- 새로운 값이 제공될 때마다 반복문의 순차적인
Iteration실행하는 for문의 한 종류 - 스트림에서 값을 반복적으로 뽑아내어 사용
yield는 스트림의 값을 반환하는 함수에서return대신에 사용
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Stream<int> sumStream(Stream<int> stream) async* {
var sum = 0;
await for (final value in stream) {
yield sum += value;
}
}
🔗 async-await, Streams, Futures과 같은 비동기 키워드들에 대해 더 알고 싶다면 Asynchronous Programming Codelab
3️⃣ 아이솔레이트 Isolates
- 다트는 앞에서 언급했던 비동기 API들에 더해서 isolates를 통해서도 비동기를 지원
기존의 멀티스레딩
- 현대에 나오는 기기들은 대부분 멀티코어 CPU를 제공하기 때문에 이 이점을 극대화하기 위해서 개발자는 동시에 실행되는 공유 메모리 스레드를 사용함
- 그러나 이러한 상태를 공유하는 동시성은 경쟁상태(race condition)를 유발할 가능성이 있고 코드도 복잡해진다는 단점이 있음
특징
- 이러한 기존의 멀티스레딩의 단점을 완화하고자 Dart는 isolates를 통해 여러개의 독립적인 태스크를 수행
- 아이솔레이트는 일종의 스레드 혹은 프로세스 같은 개념이지만 각자의 메모리를 가지면서 이벤트 루프를 실행하는 단일 스레드
- 각각의 아이솔레이트는 각각의 전역 필드를 가짐: 아이솔레이트에서는 어떠한 필드도 다른 아이솔레이트들에 접근할 수 없음을 보장
- 아이솔레이트간 공유하는 필드가 없으므로
Mutexes or lock,Data races같은 문제들이 일어날 가능성이 적어짐 - 그러나 아이솔레이트가 경쟁상태를 완전히 방지할 수 있는 것은 아님
- 아이솔레이트간 공유하는 필드가 없으므로
- 각각의 아이솔레이트는
Message passing을 통해서만 서로 소통할 수 있음
🔗 동시성 모델에 대한 정보를 더 얻고 싶다면 Actor Mode에 대한 문서를 참고
⚠️ 오로지 다트 네이티브에서만 isolates를 사용할 수 있음. 다트 웹 플랫폼에서는 지원하지 않음.
메인 아이솔레이트 The Main Isolate
- 대부분의 경우 개발자는 아이솔레이트에 대해서 생각할 필요가 없음
- 디폴트로 다트 프로그램은 메인 아이솔레이트에서 돌아가기 때문: 프로그램이 시작되어 실행됨 (하나의 아이솔레이트로 구성된 프로그램도 원활하게 동작할 수 있음)
- 다음 줄의 코드를 실행하기 전에 앱들은 비동기 작업이 완료될 때까지 기다리기 위해서
async-await를 사용 - 잘 동작하는 앱은 빠르게 시작하여 가능한 한 빠르게 이벤트 루프에 도달하고 이벤트 큐에 있는 이벤트를 빠르게 처리하며 필요한 경우 비동기 작업을 수행
아이솔레이트의 생명주기 The isolate life cycle
- 모든 아이솔레이트들은
main()과 같은 일부 다트 코드를 실행함으로써 시작main()은 사용자의 입력이나 파일 입출력과 같은 이벤트에 반응하기 위해 일부 이벤트 리스너들을 등록main()이 리턴될 때 기본 아이솔레이트(메인 아이솔레이트)는 프로그램이 종료될 때까지 유지되며 이벤트 루프에서 이벤트를 처리
이벤트 처리하기 Event handling
- 앱에서 메인 아이솔레이트의 이벤트 큐는 UI를 다시 그리라는 요청, 탭 등의 이벤트를 포함할 수 있음
- 이벤트 루프는 큐에서 이벤트를 먼저 들어온 순서대로 처리
단일 아이솔레이트(메인 아이솔레이트)만 사용할 때 나타날 수 있는 문제점
- 이벤트 처리는
main()이 리턴된 뒤 메인 아이솔레이트에서 일어남- 아래 그림에서
main()이 리턴된 다음에 메인 아이솔레이트는 첫번째 repaint 이벤트 → 탭 이벤트 → repaint 이벤트를 처리
- 아래 그림에서
- 만약 특정 작업이 너무 오래 걸린다면 앱은 응답하지 않을 수도 있음
- 예를 들어 탭을 처리하는 작업이 늦어지면 뒤에 있는 이벤트들이 모두 늦게 처리됨 → 앱 애니메이션이 끊긴다거나 앱이 멈춘 것처럼 보일 수 있음
- ✏️ 클라이언트 앱에서 동기 작업이 너무 오래 수행되면 단일 아이솔레이트만 사용했을 때 앱이 반응이 없거나 애니메이션 끊김 현상이 나타날 수 있음
백그라운드 아이솔레이트 Background workers
- 앱이 너무 오래 걸리는 작업(예: 사이즈가 큰 json 파일을 파싱)으로 인해 무반응 상태가 될 가능성이 있다면 해당 작업을 백그라운드 worker라고 불리는 worker 아이솔레이트에게 넘길 수 있음
- 대부분의 경우 그림과 같이 간단한 worker 아이솔레이트를 생성하여 계산을 수행하고 종료
- worker 아이솔레이트는 종료될 때 메세지를 통해 결과를 반환
- worker 아이솔레이트는 파일 입출력, 타이머 설정과 같은 작업들을 수행
- 자기만의 메모리를 가지며 이 메모리는 메인 아이솔레이트와 공유될 수 없음
- worker 아이솔레이트가 작업을 수행하거나 중단될 때 메인 아이솔레이트에 영향을 주지 않음
아이솔레이트 사용하기 (2가지)
1. Isolate.run()
- 별도의 스레드에서 단일 계산을 수행할 때 사용
- 새로 생성된 아이솔레이트가 실행할 콜백이 인자로 전달
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int slowFib(int n) => n <= 1 ? 1 : slowFib(n - 1) + slowFib(n - 2);
// Compute without blocking current isolate.
void fib40() async {
var result = await Isolate.run(() => slowFib(40));
print('Fib(40) = $result');
}
2. Isolaste.spawn()
- 여러 메시지를 처리해야 되는 경우 / 백그라운드 worker을 생성할 때 사용
📌 작업을 장기 수행하는 아이솔레이트에 관해서는 문서 참고: Isolates
성능 최적화와 아이솔레이트 그룹
- 아이솔레이트가
Isolate.spawn()을 호출할 때, 두 아이솔레이트는 동일한 실행 가능한 코드를 가지며 동일한 아이솔레이트 그룹에 속함- 다트 코드가 컴파일될 때
Isolate.spawn(callback)에서 callback에 해당하는 메소드는 이미 메모리의 코드 영역에 로드가 된 상태이고 새로 생성된 아이솔레이트는 이 로드된 메소드를 호출 - → 아이솔레이트 그룹을 사용하면 코드 공유와 같은 성능 최적화가 가능
- 다트 코드가 컴파일될 때
Isolate.exit()는 아이솔레이트가 동일한 아이솔레이트 그룹에 있을 때만 작동
“아이솔레이트는 각각의 메모리를 가진다고 했으면서 코드를 공유한다는 게 이게 뭔 소리야?” 싶었는데 Dart 코드가 컴파일될 때 모든 함수와 클래스가 메모리의 코드 영역에 로드되고,
Isolate.spawn()를 통해 만들어진 새 아이솔레이트는 이 코드 영역에 로드된 메소드를 사용한다는 뜻이었음. 성능 최적화의 측면에서 아이솔레이트 그룹이라고 표현할 뿐 메모리 자체를 공유한다는 뜻이 아님.
Isolate.spawnUri()
- URI에 있는 코드의 복사본을 사용하여 새로운 아이솔레이트를 생성
- 이미 메모리에 로드된 콜백 메소드를 호출하는 게 아니라 새로운 메모리 공간을 할당받기 때문에
Isolate.spawn()보다 느림
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import 'dart:isolate';
import 'dart:async';
void main() async {
print('Main isolate: ${Isolate.current.debugName}');
// 새로운 아이솔레이트 생성 (동일한 그룹 -> 이미 메모리의 코드 영역에 로드된 runIsolate를 실행)
await Isolate.spawn(runIsolate, 'Hello from main isolate!');
// 새로운 아이솔레이트 생성 (다른 그룹 -> 새로 메모리 할당)
final uri = Uri.parse('data:text/plain,runIsolate');
await Isolate.spawnUri(uri, ['Hello from main isolate via URI']);
}
void runIsolate(String message) {
print('New isolate: ${Isolate.current.debugName}, message: $message');
}
Isolates의 한계
isolates는 스레드가 아님
- 아이솔레이트는 스레드처럼 동작하지 않음
- 각각의 아이솔레이트는 자체적인 전역 필드(상태)들을 가지고 있어서 다른 아이솔레이트에서 접근할 수 없도록 보장된다는 측면에서 스레드와 다름 (자체 메모리에 대한 접근으로 제한)
- 예) 코드의 전역에서 변수를 선언했다면 이 변수는 아이솔레이트를 새로 생성했을 때 별개의 변수처럼 되어버리기 때문에 해당 아이솔레이트에서 이 변수를 변경해도 메인 아이솔레이트에서는 변경되지 않은 상태로 남아있게 됨
메시지 타입
SendPort를 통해 보내진 메시지들은 Dart Object의 거의 대부분을 커버할 수 있지만 예외는 있음- Objects with native resources, such as Socket.
- ReceivePort
- DynamicLibrary
- Finalizable
- Finalizer
- NativeFinalizer
- Pointer
- UserTag
- Instances of classes that are marked with @pragma(‘vm:isolate-unsendable’)
- 예외를 제외하고는 어떠한 오브젝트도 메세지로 전달될 수 있음
Isolate.spawn()과Isolate.exit()은SendPort의 구현을 통해 메세지를 전달하기 때문에 위의 언급한 제한사항들이 적용
🔗 참고: Dart - SendPort
4️⃣ 웹에서의 동시성
- 다트 웹은 이러한
async-await,Future,Stream을 사용할 수 없음 Web worker라는 걸 사용해야 하는데 이 웹 워커는 아이솔레이트의 기능과 약간 다름- 예)
Web worker는 스레드 간 데이터를 전송할 때 데이터를 복사- 아이솔레이트도 이렇게 데이터를 복사하는 건 똑같지만 메시지를 보관하는 메모리를 더 효율적으로 전송할 수 있는 API가 있다는 점에서 다름
5️⃣ Resources
- 다수의 아이솔레이트를 사용하는 경우
IsolateNameServer를 고려 - 🔗 참고 자료
읽고 정리해보고 싶은 문서가 몇 개 있는데 요것들도 정리해서 올려보려고 함
- Dart에서 Isolates를 어떻게 활용하는지에 대한 문서 Dart - Isolates
- Flutter에서 이 Isolates로 동시성을 어떻게 해결하는지에 대한 문서 Flutter - Concurrency and isolates
궁극적으로는 이 아티클 Executing Dart in the Background with Flutter Plugins and Geofencing을 이해하고픈 욕심은 있는데 잘 모르겠다…
플러터는 써드파티 라이브러리가 엄청 많은데 이게 오히려 좋은건지 잘 모르겠음
어떻게 쓰는지도 모르고 그냥 문서 보고 대충 갖다 붙이는 느낌이라 🤔
백그라운드 작업 좀 이해해보겠다고 시작하긴 했는데 뭐가 어떻게 도움이 될 지는 잘 모르겠다
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