Swift Concurrency

• 여러 작업이 동시에 수행되는 것처럼 설계된 비동기식 동시성 시스템
• 비동기 작업을 안전하게 구현할 수 있고, 읽기 쉽게 설계됨
  • 옛날 비동기 처리 방식 : completion handler, GCD
  • Swift Concurrency 비동기 처리 방식 : async/await, Task, Actor 등
• 특히 비동기 함수로 인해 호출부의 작업 실행이 일시 중단되면 스레드가 비동기 함수를 처리하는 작업 실행으로 넘어가고 완료되면 다시 재개하기 위해 넘어오는 과정을 개발자가 직접 제어하지 않아도, 구조적으로 처리해주는 것이 특징 (= Structured Concurrency)
  • 구조적으로 처리한다 = Swift Concurrency의 비동기 코드 자체가 비동기 실행 구조를 나타낸다

// 옛날 비동기 처리 : 중첩 클로저, 에러 throw 불편, 함수가 종료돼도 async 코드블럭은 계속 실행될 수 있음
func loadData() {
    DispatchQueue.global().async {
        let data = fetchRemoteData()
        DispatchQueue.main.async {
            self.updateUI(with: data)
        }
    }
}

// Swift Concurrency : 코드 구조가 실행 구조와 같음(읽기 편함), try로 에러 throw, 부모-자식 태스크 구조(부모가 취소되면 자식도 취소됨)
func loadData() async throws -> Data {
    async let user = fetchUser()      // 자식 Task
    async let posts = fetchPosts()    // 자식 Task
    return try await process(user, posts)
}

Async / Await

• async 키워드를 통해 비동기 함수를 정의할 수 있고, 호출할 땐 await 키워드를 명시함
  • await 키워드는 결과가 반환될 때까지 일시 중단(suspension point)하는 것을 의미함
  • 현재 Task가 suspend 되어 스레드가 할 일이 없어지면 다른 Task를 실행할 수 있고, 기존 Task가 실행 완료되어도 실행중인 다른 Task가 완료되거나 suspend 되어야만 다시 기존 Task를 처리할 수 있음
• async let 구문을 통해 여러 비동기 함수를 병렬로 실행할 수도 있음
  • 실제로 별도의 Task로 스케줄링 되어 동시에 실행되며, async let 구문의 호출값을 모두 받을 때까지 기다렸다가 한번에 병합해서 반환함

func loadAll() async {
    async let user = fetchUser()   // Task A 생성
    async let post = fetchPost()   // Task B 생성

    // 두 결과가 모두 완료될 때까지 loadAll() suspend
    let (u, p) = await (user, post)
}

Task와 TaskGroup

• Task : 비동기 실행 단위
  • 비동기 작업이 생성되면 Swift Concurrency 런타임이 Executor(실행 큐)에 등록하고, 시스템은 CPU 코어나 스레드 상태에 따라 실행 큐에서 대기중인 비동기 작업들을 실행함
  • Swift Concurrency Executor: 비동기 작업만을 다루는 큐
• TaskGroup : 여러 개의 자식 태스크를 묶어 별렬 실행하고, 결과를 모아 관리할 수 있는 구조
  • 부모-자식 관계의 구조에 따라 우선순위를 상속받고 작업 취소를 수직적으로 전달받음으로써, 대표적인 Structured Concurrency를 구현함

Cancellation

• 모든 Task는 취소 상태(Cancellation)를 전달받을 수 있음
  • cancel() 호출만으로 Task가 취소되지 않으며, Task.isCancelled을 통해 확인하거나 try Task.checkCancellation() 에서 에러를 던짐으로써 취소 상태를 알고 Task를 종료할 수 있음

Structured Concurrency

• 비동기 작업의 수명과 실행 흐름을 코드 구조에 따라 안전하게 관리하는 방식으로, Swift Concurrency의 핵심 개념

1. 태스크의 수명이 스코프에 의해 제어됨
   • 스코프(scope) : {...}
2. 부모-자식 관계로 구성되어 동시성 흐름이 명확하게 구조화됨
   • 부모의 우선순위를 상속받음
   • 부모 작업이 취소되면, 자식 작업도 취소됨

장점

• 리소스 누수나 race condition 가능성이 크게 줄어듦으로써, 기존의 비구조적인 GCD 기반 비동기 처리의 문제를 해결할 수 있음
  • 리소스 누수 : 태스크 수명 관리가 구조적이지 않아 끝났어야 하는 작업이 끝나지 않음으로써 자원을 계속 점유하는 상태
  • race condition : 여러 스레드가 동일한 자원에 동시에 접근해 값을 수정함으로써 실행 순서에 따라 결과가 달라지는 현상

Actor

• 내부 상태를 격리(isolated)하고 Serial Executor 위에서 실행됨으로써 여러 스레드가 동시에 접근할 수 없음으로써, thread-safe를 보장하는 타입
  • Serial Executor : 직렬 실행 큐로, 한 번에 하나의 Task만 실행함
• 클래스처럼 참조 타입이지만, 내부 프로퍼티나 메서드에 접근하려면 await 키워드를 명시해야 함
  • Actor 내부에서 self 속성에 접근할 때에는 필요없음

Reentrancy(재진입성)

• Actor에서 실행중인 비동기 작업이 suspend 되면, 같은 Actor의 Executor에 대기중이던 다른 비동기 작업이 실행되는 것
• reentrancy를 통해 deadlock을 피할 수 있지만, 공유 상태를 변경하는 로직에서는 주의할 필요가 있음
  • Deadlock 회피 : Actor의 비동기 작업이 suspend 됐을 때 다른 비동기 작업이 진입할 수 없으면 Actor의 실행 흐름은 suspend된 비동기 작업이 완료될 때까지 잠긴 상태를 유지함으로써 Deadlock이 발생할 수 있어, 재진입성을 통해 Actor의 실행 흐름이 멈추는 것을 방지할 수 있음
    • Deadlock(교착상태) : 여러 작업이 동일한 리소스 점유를 하기 위해 서로 기다리는 무한 대기 현상
  • 공유 상태 불일치 위험 : suspend 된 비동기 작업과 suspend 됨으로써 실행되는 비동기 작업이 같은 상태를 공유하게 되면 각 작업에서 얻는 상태 값이 달라 상태 일관성을 보장할 수 없으므로, 공유 상태를 변경하는 작업들이 같은 실행 흐름에서 실행될 여지가 있는지 주의해야 함

“재진입성”이라는 키워드는, Actor의 실행이 완전히 끝나지 않았는데 같은 Actor의 다른 실행이 재진입한다는 의미라고 생각할 수 있습니다!

GlobalActor

• 매크로를 통해 특정 Actor의 Serial Executor에서 실행됨을 보장할 수 있는 Actor로, 전역 단일 실행 컨텍스트를 정의한다고 정의하기도 함
  • 대표적으로 @MainActor가 있는데 Serial Executor를 통해 항상 메인 스레드에서만 실행됨을 보장하는 Actor로, UI 업데이트와 같은 작업에 사용함

CustomActor와 차이점

• CustomActor : 직접 인스턴스를 생성해야 함
• GlobalActor : 인스턴스 생성없이, 매크로를 통해 앱 전역에서 해당 Actor의 실행 흐름에 작업을 등록할 수 있음

// GlobalActor 정의
@globalActor
actor DatabaseActor {
    static let shared = DatabaseActor()
}

// GlobalActor 실행 흐름에 작업 등록
// 두 함수 모두 같은 Serial Executor 위에서 순차 실행됨
@DatabaseActor
func loadUserData() { ... }
@DatabaseActor
func saveUserData() { ... }

Nonisolated

• nonisolated를 통해 특정 메서드나 프로퍼티를 격리에서 제외할 수 있음
  • Actor 내부에서 사용하며, 타입 자체는 Actor의 격리를 유지하면서도 비동기 컨텍스트 없이 접근 가능한 예외를 허용함

Sendable

• 비동기 작업 간에 전달될 때 안전하게 전달될 수 있도록 보장하는 프로토콜
  • 비동기 작업에서 값이 안전함을 보장할 수 있으나, actor처럼 내부 동작의 안전한 실행을 보장하진 않음
• actor의 경우 당연히 Sendable이고, struct/enum과 같은 값 타입의 경우 내부 모든 저장 프로퍼티가 Sendable이면 자동 Sendable
  • 컴파일러가 Sendable 여부를 판단할 수 없는 경우 직접 Sendable 채택을 명시해야 함
  • 클로저가 비동기로 실행됨으로써 안전성을 보장해야 한다면 @Sendable을 명시해야 함
• 검증 우회(bypass) : 컴파일러가 클래스가 비동기 작업에서 안전한지 증명할 수 없는 경우 경고를 띄우는데, 이때 개발자가 직접 안전함을 보장한다는 의미로 @unchecked Sendable을 명시할 수 있음 (= 개발자가 수동 보장 선언)

Unstructured Concurrency

• Task {...}를 명시적으로 생성해 structured context 밖에서 실행하는 것도 가능함
  • 이렇게 생성된 비동기 작업은 부모-자식 관계에 해당되지 않기 때문에 수명관리와 취소 처리를 직접 해야함

AsyncSequences

• 시간에 따라 비동기적으로 생성되는 값들을 순차적으로 비동기 처리할 수 있는 프로토콜
  • 일반적인 Sequence는 이미 메모리에 존재함으로써 즉시 순회할 수 있으나, AsyncSequence는 아직 존재하지 않는 값이 시간이 지남으로써 하나씩 생성됨으로써 생성될 때마다 await 를 통해 suspend 되면서 순차적으로 값을 처리하는 구조
  • Combine의 Publisher처럼 비동기적으로 이벤트를 전달하는 스트림을 다루지만, Combine은 이벤트 발생 즉시 구독자에게 값을 push하는 구조이고 AsyncSequence는 다음 값을 요청할 때까지 suspend 됐다가 호출함으로써 값을 pull하는 구조로 다름

참고 문헌

• Apple Inc. (2023). The Swift Programming Language (Swift 5.9): Concurrency.