🍎 WWDC21 : Explore structured concurrency in Swift

🍎 WWDC21 : Explore structured concurrency in Swift

Structured Programming

• 구조화 된 프로그래밍
  • 정적 범위를 사용
    • 해당 범위 내에서만 변수 사용 가능
    • 조건부로만 코드가 실행됨
    • 범위 벗어나면 종료
  • 제어흐름을 보다 직관적으로 알 수 있음
  • 프로그램을 위에서 아래로 읽을 수 있음

 

Completion Example

func fetchThumbnails(
    for ids: [String],
    completion handler: @escaping ([String: UIImage]?, Error?) -> Void
) {
    guard let id = ids.first else { return handler([:], nil) }
    let request = thumbnailURLRequest(for: id)
    let dataTask = URLSession.shared.dataTask(with: request) { data, response, error in
        // 에러 핸들링 불가 
        // - 하나의 함수가 아닌 함수에서 발생한 오류만 처리하는 것이 의미있기때문 
        guard let response = response,
              let data = data
        else {
            return handler(nil, error)
        }
        // ... check response ...
        UIImage(data: data)?.prepareThumbnail(of: thumbSize) { image in
            guard let image = image else {
                return handler(nil, ThumbnailFailedError())
            }
            // 해당 패턴 사용 시, 루프를 사용하여 각 썸네일을 처리할 수 없음 
            // - 함수가 완료된 후 실행되는 코드가 핸들러 내에 중첩돼야하므로 재귀가 필요함
            fetchThumbnails(for: Array(ids.dropFirst())) { thumbnails, error in
                // ... add image to thumbnails ...
            }
        }
    }
    dataTask.resume()
}

 

Async/await Example

// 좋아보이지만 수천 개의 이미지에 대해 썸네일을 생성한다면?
// - 각 썸네일을 한 번에 하나씩 처리하는 것이 좋아보이지 않음 
// - 또한 고정된 크기로 받아오지 않는다면..?
func fetchThumbnails(for ids: [String]) async throws -> [String: UIImage] {
    var thumbnails: [String: UIImage] = [:]
    for id in ids {
        let request = thumbnailURLRequest(for: id)
        let (data, response) = try await URLSession.shared.data(for: request)
        try validateResponse(response)
        guard let image = await UIImage(data: data)?.byPreparingThumbnail(ofSize: thumbSize) else {
            throw ThumbnailFailedError()
        }
        thumbnails[id] = image
    }
    return thumbnails
}

• Task
  • 비동기를 사용할 수 있게하는 Swift의 새로운 기능
• 안전하고 효율적일 때 병렬로 실행되도록 함
• 비동기 함수를 호출해도 호출에 대한 새로운 작업이 생성되지 않음

 

Async-let

• 일반적인 let 바인딩
• 하나의 실행흐름
• let result = URLSession.shared.data(…)
  • 데이터를 다운받아오는 동안 다른 작업을 할 수 있기를 바람
    • let 앞에 async를 명시

• async-let 바인딩

1. async let을 만나기 전 새로운 하위 작업을 생성
   1. 모든 작업은 프로그램의 실행을 나타내기 때문에 해당 단계에선 흐름에 대한 방향이 두 가지로 나뉨
      1. URLSession.shared.data(…) : 데이터 다운로드를 위한 하위 작업
      2. result : 변수의 결과값을 바인딩하는 상위 작업
2. 상위 작업에서는 하위 작업이 데이터를 받아오는동안 이후 작업을 수행함
3. 결과값이 필요한 코드에 도달하게 되면 상위 작업(result)는 하위 작업(데이터 다운로드)가 완료될 때까지 기다림
   1. URLSession에서 에러가 발생할 가능성이 있음 ⇒ try
   2. 결과값을 다시 읽는다하여 비동기 작업이 또 일어나지 않음

 

Task Tree Example

• 작업 트리라는 계층 구조의 일부
  • 작업의 취소(cancellation), 작업의 우선순위, 작업 내 지역변수 같은 것들에 영향을 미침
  • 하나의 비동기 함수에서 다른 함수로 호출할 때마다 동일한 작업이 호출을 실행하는데 사용됨
• 새로운 구조화 된 작업 생성 시, 현재 함수가 실행 중인 작업의 하위 항목이 됨
  • 작업은 특정 기능의 하위 항목이 아니지만 해당 기능의 수명 범위는 해당 기능으로 제한될 수 있음
• 트리는 각 상위 작업과 해당 하위 작업 간의 링크로 구성됨
  • 링크는 모든 하위작업이 완료된 이후에만 상위 작업이 완료될 수 있다는 규칙을 적용함
    • 이 규칙은 하위작업이 대기되는 것을 방지하는 비정상적 제어 흐름에도 불구하고 적용됨
• 결국 하위작업들이 모두 완료되어야 최상위 작업이 최종적으로 종료됨
• 작업 수명을 관리하는데 도움을 줘 실수로 작업이 메모리 누수를 방지해줌

func fetchOneThumbnail(withID id: String) async throws -> UIImage {
    let imageReq = imageRequest(for: id), metadataReq = metadataRequest(for: id)
    // async : 두 작업이 동시에 일어나기 위해 
    // -> 다운로드 작업이 하위에서 일어나므로 try await을 쓰지않음 
    // -> 이러한 결과는 상위 작업(data, metadata)에서만 관찰됨
    // 이미지 받아오기
    //let (data, _) = try await URLSession.shared.data(for: imageReq)
    async let (data, _) = URLSession.shared.data(for: imageReq)
    // 메타데이터 받아오기 
    // let (metadata, _) = try await URLSession.shared.data(for: metadataReq) 
    async let (metadata, _) = URLSession.shared.data(for: metadataReq)
    
    // 에러에 대한 결과값도 metadata, data에서 관찰되기 때문에 해당 데이터를 사용할 때 try await을 사용
    // - 이미지 작업 이전에 메타데이터 작업을 우선 처리 -> 오류 발생 시 함수 바로 종료시켜야함 
    // -> 그럼 두번째 작업은? -> 두번째 작업이 취소되는 것이 아닌 해당 결과가 더는 필요없음을 알림 
    // -> 하위작업들이 자동으로 취소됨
    guard let size = parseSize(from: try await metadata),
          let image = try await UIImage(data: data)?.byPreparingThumbnail(ofSize: size)
    else {
        throw ThumbnailFailedError()
    }
    return image
}

 

Cancellation is Cooperative

• 코드에서 명시적으로 취소를 확인하고 적절한 방식으로 취소해야함
  • 비동기 여부와 관게없이 모든 기능에서 현작업의 취소 상태를 확인할 수 있음
• 특히 장기적인 작업이 포함된 경우, 취소를 염두해두어야함
  • 부분적인 결과가 반환될 수 있음을 명시해야함

func fetchThumbnails(for ids: [String]) async throws -> [String: UIImage] {
    var thumbnails: [String: UIImage] = [:]
    for id in ids {
		    // 취소된 경우 에러 던지기 
        try Task.checkCancellation()
        
        // 취소 상태를 확인해서 처리해줄 수도 있음
        // if Task.isCancelled { break } 
       
        thumbnails[id] = try await fetchOneThumbnail(withID: id)
    }
    return thumbnails
}

 

Group Tasks

func fetchThumbnails(for ids: [String]) async throws -> [String: UIImage] {
    var thumbnails: [String: UIImage] = [:]
    for id in ids {
		    // 만약 모든 썸네일을 가져오는 작업을 동시에 하고싶다면 ? => Group
        thumbnails[id] = try await fetchOneThumbnail(withID: id)
    }
    return thumbnails
}

func fetchOneThumbnail(withID id: String) async throws -> UIImage {
    // ...
		// 두 개의 하위작업 
		// async let : 작업 범위가 지정됨 = 다음 루프 반복이 시작되기 전 두 하위 작업이 완료돼야함 
    async let (data, _) = URLSession.shared.data(for: imageReq)
    async let (metadata, _) = URLSession.shared.data(for: metadataReq)

    // ...
}

• withThrowingTaskGroup
  • 에러를 던지는 작업들의 묶음
  • 그룹에 추가된 작업은 그룹이 정의된 범위보다 오래 지속될 수 없음

func fetchThumbnails(for ids: [String]) async throws -> [String: UIImage] {
    var thumbnails: [String: UIImage] = [:]
    try await withThrowingTaskGroup(of: Void.self) { group in
        for id in ids {
		        // 그룹에 하위 작업을 생성 
		        // 하위작업이 즉시 임의의 순서로 실행되기 시작 
		        // 그룹 개체가 범위를 벗어나면 그 안에 있는 모든 작업의 완료가 대기 상태로 됨 
            group.async {
		            // 여기서는 또 metadata, data 하위 작업 생성 
		            // Data Race Error 
                // Error: Mutation of captured var 'thumbnails' in concurrently executing code
                thumbnails[id] = try await fetchOneThumbnail(withID: id)
            }
        }
    }
    return thumbnails
}

• Data Race를 방지하기 위해 하위 작업이 값을 반환하도록 변경

func fetchThumbnails(for ids: [String]) async throws -> [String: UIImage] {
    var thumbnails: [String: UIImage] = [:]
    
    // withTrowingTaskGroup의 body
    try await withThrowingTaskGroup(of: (String, UIImage).self) { group in
        for id in ids {
            group.async {
		            // 상위 작업에 결과 처리에 대한 전적인 책임 부여를 위해 하위 작업 결과 반환
		            // Key - Value  
                return (id, try await fetchOneThumbnail(withID: id))
            }
        }
        // 타입이 AsyncSequence 프로토콜을 채택하는 경우, for-await을 통해 반복 가능
        // 하위 작업의 결과를 반복하면서 결과 처리 
        // Obtain results from the child tasks, sequentially, in order of completion.
        for try await (id, thumbnail) in group {
            thumbnails[id] = thumbnail
        }
    }
    
    return thumbnails
}

• Group Task는 구조화 된 동시성의 한 형태
  • async-let과 같은 작업 트리에서는 약간의 차이가 있을 수 있음
    • 예로, 그룹 내 하위 작업에서 에러가 반환되었을 때 그룹 코드의 종료를 통해 범위를 벗어날 때 발생함
      • 취소가 암시적으로 발생하지않고 오직 대기만 일어남
• 그룹의 cancelAll 을 통해 그룹 내 모든 작업을 수동으로 취소 가능
  • 취소 방법에 상관없이 취소 알림은 하위 작업으로 알려짐

 

Unstructured Tasks

• 명확한 트리 구조가 아닌 구조가 있을 수 있음
  • 동기 코드 내 비동기 수행 시, 상위 작업이 없는 경우
  • 원하는 작업의 수명이 단일 범위거나 단일 함수의 범위에 맞지않을 때
• 작업을 시작하는 객체가 다른 메서드에 대한 결과로 작업 취소 가능

• UICollectionViewDelegate 내 메서드에서 비동기 작업을 수행하려고 한다면
  • Main Thread에서 동작하는 작업 내 비동기 작업이 들어있어 불가능함
    • Task를 통해 감싸줄수 있음
      • 그룹 작업이나 async-let처럼 원본작업의 우선순위 및 기타 특성을 상속받음
      • 작업의 수명은 지정되지않음
      • 취소나 대기 상태를 직접 관리해주어야함
• 취소를 위한 코드 수정

• 화면이 사라진다면 작업 취소

 

Detached Tasks

• 수명이 상위 작업의 수명으로 제한되지 않음
• 원래 작업으로부터 어떠한 것도 상속받지 않음
  • 어떤 스레드에서 일어나든, 어떤 우선순위로 작업하든 상관무
• 매개변수를 통해 우선순위 등을 지정해줄 수 있음
• detached(priority:operation:)
  • Runs the given throwing operation asynchronously as part of a new top-level task.
  • = 새로운 최상위 작업의 일환으로 비동기 작업 수행
    • 그래서 다른 작업에서 어떠한 것도 상속받지 않고 수명을 이어받지 않는게 아닐까 싶음

이미지 캐싱

• 작업이 여러 개인 경우
  • Task.detached하나만 취소해주면 하위가 모두 취소되므로 편리하게 다양한 백그라운드 작업을 할 수 있음

 

Summary