안드로이드 [Kotlin] - Go Inside Coroutine - 코루틴 내부 구현 살펴보기

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안드로이드 [Kotlin] - Go Inside Coroutine - 코루틴 내부 구현 살펴보기

🤖 Play with Android 🤖 2023. 3. 25. 22:39

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메인 스레드(Main Thread, UI Thread)란?

앱이 실행됐을 때 시스템에서는 메인(Main)이라고 불리는 스레드를 생성한다.
메인스레드는 안드로이드 이벤트 생성 및 처리를 담당할 뿐 아니라 안드로이드에서 발생되는 여러 이벤트를 그와 관련된 위젯으로 연동시키는 중요한 역할을 수행한다.
또한 안드로이드에서 제공하는 다양한 뷰와 위젯을 표현하는 역할과 사용자로 하여금 그것을 사용할 수 있게 해 주어 UI 스레드라고도 불린다.

앱에 메인 스레드만 존재한다면?

앱이 단일 스레드 즉 메인 스레드만 존재하는 모델에서는 형편없는 성능을 낳게 된다.
메인 스레드에서 모든 작업을 처리한다면 네트워크 처리 및 데이터베이스 쿼리와 같이 오래 걸리는 작업을 하는 동안 UI와 관련된 작업을 처리하지 못하게 된다.
이것이 문제가 되는 이유는 오랜 시간 UI 관련된 작업을 처리하지 못하면 ANR(Application Not Responding)에러가 발생하고 그 즉시 앱이 정지되기 때문이다.

동시성(Concurrency)

Main-Safe하게 앱의 여러 작업을 수행하는 방법의 하나로, 동시성을 사용하는 방법이 있다.
하지만 동시성 코드를 제대로 작성하는 것은 좀처럼 간단한 일이 아닙니다. 경쟁 상태, 원자성 위반, 교착 상태, 라이브락과 같은 동시성 이슈들이 개발자들을 괴롭히기 때문이다.

Understand Kotlin Coroutines on Android (Google I/O'19)

우리는 이 중에서 Coroutine, 그리고 그 Coroutine는 내부적으로 어떻게 동시성(Concurrency)을 제공하는지 살펴보자.

코루틴이 JVM에서 동작하는 방법

There is no magic

코루틴은 디컴파일되면 일반 코드일 뿐이다.
Continuation Passing Style(CPS, 연속 전달 방식) 이라는 형태의 코드로 전환한다.

Basic Problem

fun postItem(item: Item) {
    val token = requestToken()
    val post = createPost(token, item)
    processPost(post)
}

위 코드는 서버에서 토큰을 가져와서 게시물을 포스트 한 다음, 포스트 완료처리를 하는 세 가지 연산을 하는 코드이다.
이것이 JVM에서 Continuation Passing Style(CPS)로 내부적으로 컴파일할 때 아래와 같이 바뀐다.

Continuation Passing Style(CPS)

fun postItem(item: Item) {
    requestToken { token ->
        val post = createPost(token, item)
        processPost(post)
    }
}

Continuation Passing Style은 결과를 호출자에게 직접 반환하는 대신 Callback 방식으로(Continuation)으로 결과를 전달한다.

Suspend 함수

suspend fun createPost(token: Token, item: Item): Post { … }

createPost(...) suspend 함수를 하나를 만들었을 때, 이 함수는 일시 중단 및 재개될 수 있는 함수가 된다.

어떻게 이것이 가능한지 살펴보자.

// suspend fun createPost(token: Token, item: Item): Post { … }
     ↓
// Java/JVM 
Object createPost(Token token, Item item, Continuation<Post> cont) { … }

내부적으로는 JVM에 들어갈 때 바이트코드로 컴파일되면서 같은 createPost(…)인데 Continuation이 생성되어 Continuation Passing Style로 변환된다.
호출했던 함수의 끝에 매개변수가 하나 추가되서 Continuation이라는 객체를 넘겨주는 것으로 변환되는 것이다.

suspen fun postItem(item: Item) {
    // LABEL 0
    val token = requestToken()
    
    // LABEL 1
    val post = createPost(token, item)
    
    // LABEL 2
    processPost(post)
}

먼저 Labael이라는 작업을 하게 되는데 코루틴에서 순차적으로 작성했던 코드들이 suspend 함수가 되면 컴파일할 때 Label이 찍히게 된다.
이 함수가 재개되어야 하는데, 재개될 때 필요한 Suspension Point(중단 및 재개 지점)가 요구된다.
그래서 이 지점들을 Label로 찍어놓는 것이다. 이런 작업을 코틀린 컴파일러가 내부적으로 하게 된다.

suspend fun postItem(item: Item) {
    switch (label) {
        case 0:
            val token = requestToken()
        case 1:
            val post = createPost(token, item)
        case 2:
            processPost(post)
    }
}

대략적으로 위와 같은 형태가 되는데, 작성했던 함수가 내부적으론 'switch-case'문처럼 바뀌어 case문이 3개가 생성되고 세 번을 실행하는 것을 알 수 있다. 함수를 실행할 때 0번이든, 1번이든, 2번이든 함수를 재개할 수 있는 지점이 생긴 것이다. 그리고 이 함수를 호출한 지점은 중단점이 될 수도 있다.

Label들이 다 완성되고 나면 Continuation Passing Style로 변환을 하게 된다.

fun postItem(item: Item, cont: Continuation) {
    val sm = object : CoroutineImpl { … }
    switch (sm.label) {
        case 0:
            val token = requestToken(sm)
        case 1:
            val post = createPost(token, item, sm)
        case 2:
            processPost(post)
    }
}

Continuation이라는 객체가 있고, 매 번 함수를 호출할 때마다 continuation을 넘겨준다.
Continuation은 Callback 인터페이스 같은 것으로, 재개를 해주는 인터페이스를 가진 객체인 것이다.

위의 코드에서 sm이라고 하는 것은 'state machine'을 의미하는데, 각각의 함수가 호출될 때 상태(지금까지 했던 연산의 결과)를 같이 넘겨줘야 한다. 이 'state machine'의 정체는 결국 Continuation이고, Continuation이 어떠한 정보값을 가진 형태로 Passing이 되면서 코루틴이 내부적으로 동작하게 되는 것이다.

정리

Coroutine은 Continuation을 주고 받는 CPS 패러다임을 사용한다.
컴파일러는 suspend fun의 시그니처를 변경하는데, 이때 매개변수에 자동으로 Continuation을 추가한다.
컴파일러는 suspend fun의 내부 코드들을 분석하여 중단 가능 지점을 찾아 구분한다.
컴파일러는 다음 실행 지점을 나타내는 label과 내부 변수들을 관리하는 상태머신 클래스를 생성한다.

즉 컴파일러가 suspend 키워드를 만나면 CPS 패러다임을 구현하여, Continuation이라는 일종의 콜백을 주고 받도록 코드를 변환해준다는 것이다.