비동기 프로그래밍(동기/비동기, block/non-block)

Posted Jan 4, 2025

By papooo

10 min read

비동기 프로그래밍?
작업 실행의 완료를 기다리지 않고, 다른 작업을 동시에 진행할 수 있는게 하는 프로그래밍 방식
멀티스레딩과 유사하지만, 비동기 프로그래밍은 단일 스레드에서 이벤트 처리 및 콜백을 통해 구현되기도 하기 때문에 명시적 스레드 관리 없이도 동시성을 달성할 수 있다.

동기 API 와 비동기 API의 차이

`동기 vs 비동기`

작업 완료 처리의 주체
동기: 호출자가 작업 완료 처리 (호출자가 직접 처리 결과를 반환하여 획득)
비동기: 메서드를 수행하는 피호출자가 작업 완료 처리 (처리 결과를 호출자에게 전달)

`Blocking vs Non-Blocking`

함수의 처리값이 언제 반환되는지
blocking: 작업 완료 후 반환
non-blocking: 즉시 반환
- 💡 반환된 것은 최종 결과가 아닌 프로그램 제어권을 return
  - 프로그램 제어권? 비동기작업을 추적할 수 있는 권한

용어 정리 ✏️
호출자: 메서드를 호출한 주체
피호출자: 메서드를 실제로 수행하는 함수

동기 + Blocking

호출자가 메서드 호출한 뒤, 메서드가 계산을 완료할 때 까지 대기한다.
메서드가 반환된 후, 반환된 값으로 다른 동작을 수행한다.
메서드를 호출한 호출자와 메서드를 수행하는 피호출자가 각각 다른 스레드에서 실행되는 상황에서도 호출자는 피호출자의 동작 완료를 대기한다.
메서드를 호출하고 반환될 때까지 대기하는 동기 API를 사용하는 상황을 블록 호출이라고 한다.

  
public class SyncBlockingExample {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Before method call");
        String result = performBlockingOperation();
        System.out.println("After method call: " + result);
    }

    private static String performBlockingOperation() {
        // 시간이 걸리는 작업을 가정
        try {
            Thread.sleep(2000); // 2초 대기
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
        return "Operation Completed";
    }
}

// 실행결과
// Before method call
// After method call: Operation Completed

동기 + Non-Blocking

메서드를 호출한 뒤, 메서드는 비동기 작업 추적 객체를 즉시 반환된다.
그 동안 호출자는 다른 작업을 할 수 있다.
호출자는 반환된 비동기 작업 추적 객체를 통해 피호출자에 작업완료 여부를 확인한다.
완료 응답을 받을 때까지 반복한다.
호출자는 완료 응답을 받으면 작업완료 여부 확인을 중지한다.

  
// Runnable 인터페이스를 구현하는 클래스 정의
class MyTask implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 비동기로 실행할 작업
        System.out.println("Hello from a thread!");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // Thread 객체 생성
        Thread thread = new Thread(new MyTask());

        // 스레드 실행
        thread.start();

        // Non-Blocking이므로 다른 작업 계속 가능
        System.out.println("Main thread is running...");

        // Sync를 위해 스레드의 작업 완료 여부 확인
        while (thread.isAlive()) {
            System.out.println("Waiting for the thread to finish...");
        }
        System.out.println("Thread finished!");

        System.out.println("Run the next tasks");
    }
}

// 실행결과
// Main thread is running...
// Waiting for the thread to finish...
// Waiting for the thread to finish...
// Waiting for the thread to finish...
// Hello from a thread!
// Thread finished!
// Run the next tasks

비동기 + Blocking

메서드를 호출한 뒤, 호출자가 ‘작업이 완료될 때까지 대기’ 메서드를 추가로 호출하여(block(), get() 등) 피호출자에게 전달한다.
호출자의 thread는 비동기 작업이 완료될 때 까지 실행을 멈추고 기다린다. => blocking
피호출자의 작업이 완료되면 callback 함수를 실행하여, 호출자에게 작업 결과를 반환한다.
=> 일반적으로 비동기 프로그래밍을 할 때, sleep() 이나 기타 블로킹 동작은 스레드 내에서 다른 태스크의 실행을 막기 때문에 최대한 배재하는 것이 좋다.``

  
@RestController
public class BlockingController {

    @GetMapping("/block")
    public String block() {
        // Mono에서 값 가져오기(블로킹)
        String result = generateData()
                .block(); // 비동기 처리 결과를 대기(Blocking)

        return "Blocking result: " + result;
    }

    private Mono<String> generateData() {
        return Mono.just("Some data")
                   .delayElement(Duration.ofSeconds(2)); // 비동기 처리를 위해 2초 지연
    }
}

// 실행결과
// /block 호출 -> 바로 Mono 객체 반환 받음
// block() 메서드가 호출되어, Mono에 의해 비동기 작업 결과 수행 2초간 대기 -> 블록 상태
// 비동기 작업 완료 후, "Some data" 문자열 반환하여 block() 함수에 전달
// block() 함수에서 최종 응답 반환 Blocking result: Some data
// "/block" API의 HTTP 응답을 클라이언트에 전송

비동기 + Non-Blocking

메서드 호출한 뒤, 메서드는 계산 완료되기를 기다리지 않고 즉시 반환된다. (반환된 것은 최종 결과가 아닌 프로그램 제어권을 return)
- 프로그램 제어권? 비동기작업을 추적할 수 있는 권한
완료되지 못한 계산을 호출자 스레드와 동기적으로 실행될 수 있도록 다른 스레드에 할당한다. 그동안 호출자의 thread에서는 다른 작업의 진행이 가능하다.
다른 스레드에 할당된 나머지 계산의 결과는 콜백 메서드를 통해 전달된다.
- 호출자에 의해 선언
- 실행은 비동기 작업이 완료될 때, 비동기 작업 수행중인 스레드에서 실행

  
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
import reactor.core.publisher.Mono;

@RestController
public class NonBlockingController {

    @GetMapping("/non-block")
    public Mono<String> nonBlock() {
        // 비동기적으로 데이터 생성 및 반환
        return generateData()
                .map(data -> "Non-Blocking result: " + data);
    }

    private Mono<String> generateData() {
        return Mono.just("Some data")
                   .delayElement(Duration.ofSeconds(2)); // 비동기 처리를 위해 2초 지연
    }
}

// 실행결과
// /non-block 호출 -> 바로 Mono 객체 반환받음
// map() 연산을 통해 데이터가 준비되면, "Non-Blocking result: " 문자열과 결합하는 처리가 정의
// - 실제 데이터 생성과 처리 완료를 기다리지 않고, 초기 HTTP 응답(헤더 등) 생성
// - 데이터 처리가 완료되면 그 결과를 응답 본문에 포함하여 클라이언트에 전송
// 2초 뒤 (2초 동안 nonBlock() 에서는 다른 작업 수행 가능-논블록 상태), "Some data" 문자열이 생성되고,
// "Non-Blocking result: " 문자열과 결합하여 최종 문자열이 HTTP 응답 본문으로 클라이언트에 전송

비동기 프로그래밍 구현 방법

Future 인터페이스를 통한 CompletableFutrue 구현
- Java 8에서 도입된 CompletableFuture는 Future의 개선된 버전으로, 비동기 계산의 결과를 표현
- CompletableFuture는 함수형 프로그래밍 방식과 결합하여 사용될 수 있으며, 비동기 연산을 파이프라인화하고 결과를 조합하고 변환하는 등의 고급 비동기 프로그래밍 기능을 제공
- 일회성 값을 처리하는데 적합
Reactive Programming
- 발행-구독 프로토콜 기반
- 비동기 데이터 흐름(스트림으로 처리)과 이벤트 기반 프로그래밍에 적합

Java, Reactive Programming

동기 API 와 비동기 API의 차이

동기 vs 비동기

Blocking vs Non-Blocking

동기 + Blocking

동기 + Non-Blocking

비동기 + Blocking

비동기 + Non-Blocking

비동기 프로그래밍 구현 방법

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`동기 vs 비동기`

`Blocking vs Non-Blocking`