Objective C 에서의 GCD

목차

Overview 바야흐로 LLVM의 시대 GCD Block Coding GCD Usage 맺으며

Overview

안녕하세요. NHN Entertainment 플랫폼SDK개발팀 박판기입니다. 신입으로 입사를 한지 얼마 되지 않은 터라 아직 대학 시절의 기억이 비교적 생생한데요. 그 중에서도 멀티프로세싱, 쓰레드에 대한 기억은 여전한 막막함으로 다가옵니다.

이번 시간에는 Objective C 에서의 멀티코어 프로세싱 기술인 GCD와, GCD의 기반인 Block Coding, 그리고 이들을 있게 한 LLVM에 대해서 살펴보겠습니다.

바야흐로 LLVM의 시대

2016년 현재는 위의 소제목처럼 LLVM의 시대라고 해도 과언이 아닙니다. Linux, Windows, Mac OSX, 쟁쟁한 OS 들이 모두 LLVM을 선택하여 사용하고 있기 때문입니다. 그렇다면, 이 쟁쟁한 위상의 LLVM은 무엇일까요?

LLVM은 Low Level Virtual Machine의 약자로서, 쉽게 말해 컴파일러라고 할 수 있습니다. 컴퓨터를 처음 배우는 학부생들이 많이 다루는 컴파일러는 주로 gcc일 텐데, 이 gcc를 대체하고 있는 컴파일러 계의 강자가 바로 LLVM입니다.

<그림1. LLVM 구조>

LLVM은 gcc가 가지고 있는 한계들을 극복한 C++기반의 새로운 컴파일러를 만들기 위한 프로젝트로부터 시작되었습니다. 이러한 프로젝트를 애플은 적극 지원하고 있고요.

애플은 Xcode3 이전까지는 gcc를 이용해왔습니다. 이후부터는 LLVM으로 옮기면서, 많은 성능 및 기능 향상을 만들었는데, 그 내용은 아래와 같습니다.

• 컴파일 속도의 향상
• 실행파일 크기 감소
• 실행 속도 증가
• 이번 포스트의 핵심 주제인 GCD, Block
• 편리해진 Xcode의 편집기능, 실시간 에러

<그림2. GCD로 인해 편리해진 Xcode>

다음 절에서는 LLVM을 기반으로 태어난 우리의 Hero. GCD에 대해 알아보도록 합시다.

GCD (Grand Central Dispatcher)

GCD는 처음에 소개했다시피 멀티코어 프로세서를 위한 Thread 프로그래밍 방법(C Library)입니다. 기존의 쓰레드 관리 기법은 개발자가 직접 락을 걸고, 쓰레드풀을 관리하는 등의 수고가 필요했지만 GCD에서는 Thread를 OS가 자동 관리 및 분배를 해줍니다.

이전에는 쓰레드를 직접 생성하고 관리하는 등의 일을 개발자가 직접 하였으나, GCD를 통해서는 Dispatch Queue에 Task를 생성해서 집어넣기만 하면 됩니다!

Dispatch Queue

Dispatch Queue는 Task를 적재하는 데이터 구조입니다. 데이터 구조의 Queue이므로 작동 방식이 Serial(순차적)이든 Concurrent(동시)이든, 언제나 FIFO(First In First Out)방식으로 동작합니다.

• Serial Dispatch Queue : Queue에 Push된 순서대로 1개의 Task씩 실행하며, 해당 Task가 끝나기를 기다립니다. Queue를 여러 개 만들 수도 있으며, 각 Queue들은 Concurrency하게 돌아갑니다.
• Concurrent Dispatch Queue : Global Dispatch Queue라고도 불리며, 여러 개의 task를 Concurrent하게 실행합니다. 실행순서는 Push한 순서대로 실행되며, 동시에 실행되는 Task는 시스템의 환경에 따라 달라집니다.
• Main Dispatch Queue : Application의 Main Thread에서 Serial하게 실행되는 Task들을 관리하는 Queue입니다. 해당 Queue는 Application의 Run loop에서 작동하게 됩니다.

다음으로는 이러한 GCD를 사용하는데 필요한 Block Coding에 대해서 살펴보겠습니다.

Block Coding

Block은 다른 언어의 Lambda나 Closure의 개념과 흡사한 부분이 많습니다. 그렇기 때문에 해당 스코프들에 대해서 변수/환경을 Capturing 할 수도 있습니다.

Block Syntax

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블록은 다음과 같이 만들 수 있습니다.

^{
    NSLog(@"This is a Block");
}

위와 같은 블록을 변수에 대입할 수도 있습니다.

void (^completion)(void) = ^{
    NSLog(@"This is a Block");
}

// invoke
completion();

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매개변수를 받거나, 값을 반환할 수도 있습니다.

NSString* (^sayHelloBlock)(NSString*, NSString*) = ^(NSString *name, NSString *country) {
    NSString *helloStr = nil;
    if (country caseInsensitiveCompare:@"kr"] == NSOrderedSame) {
        helloStr = [NSString stringWithFormat:@"%@, 만나서 반갑습니다.", name];
    } else if (country caseInsensitiveCompare:@"en"] == NSOrderedSame) {
        helloStr = [NSString stringWithFormat:@"%@, Nice to meet you.", name];
    } else {
        helloStr = [NSString stringWithFormat:@"%@, Where are you from?", name];
    }
    
    return helloStr;
}

NSLog(@"%@", sayHelloBlock(@"Panki", @"KR"));

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다음과 같이 같은 Lexical Scope(Enclosing Scope)에 있는 변수들을 Capturing 할 수도 있습니다.

int testA = 89;
 
void (^testBlock)(void) = ^{
    NSLog(@"testA is: %d", testA);
};

testA = 4;

testBlock();

///// OUTPUT
> testA is: 89

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__block 키워드를 써서, Capturing 한 변수를 수정하거나 변경사항을 공유할 수도 있습니다.

__block int testA = 89;
__block int testB = 91;

void (^testBlock)(void) = ^{
    NSLog(@"testA is: %d", testA);
    NSLog(@"testB is: %d", testB);    
    testB = 77;
    
};

testA = 4;
testBlock();
NSLog(@"Value of original A is now: %i", testA);
NSLog(@"Value of original A is now: %i", testB);

///// OUTPUT
> testA is: 89
> testA is: 91
> Value of original A is now: 4
> Value of original B is now: 77

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이러한 Block을 메소드의 파라미터로 넘길 수도 있습니다.

- (void)doSomethingWithCompletion:(void (^)(int, int)) completion {
    // Do Sth.
    ...
    
    completion(28, 89);
}

// 외부에서의 call
[self doSomethingWithCompletion:(void(^)(int a, int b)) {
    int c = a+b;
    // Do Anything
}];

어디서 많이 본 듯한 것이, 마치 CallBack과 흡사하죠?

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Block에 대한 설명은 이쯤하고, 본격적으로 Block을 사용하여 GCD를 사용하는 법을 알아봅시다.

GCD Usage

1. Dispatch Queue 얻거나 생성하거나

// 1) Dispatch Queue를 생성합니다.
// 1-1) serial dispatch queue를 생성합니다.
dispatch_queue_t serialQueue = dispatch_queue_create("test", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
// 1-2) concurrent dispatch queue를 생성합니다.
dispatch_queue_t concurrentQueue = dispatch_queue_create(""test", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

// 2) Main Dispatch Queue를 얻어옵니다.
dispatch_queue_t mainQueue = dispatch_get_main_queue();

// 3) Global Dispatch Queue를 얻어옵니다.
dispatch_queue_t globalQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);

2. Dispatch Queue에 Task 추가

Task를 추가할 때, 2가지의 방법으로 추가를 할 수 있습니다.

1. Sync하게 Task추가
2. Async하게 Task추가

Dispatch Queue가 Serial/Concurrent의 2가지(Main은 serial, Global은 concurrent하게 동작)이므로, Task 추가 방법에 따라서 다음 4가지 경우의 수가 나오게 됩니다.

1. Serial Dispatch Queue에 Sync하게 Task 추가
2. Serial Dispatch Queue에 Async하게 Task 추가
3. Async Dispatch Queue에 Sync하게 Task 추가
4. Async Dispatch Queue에 Async하게 Task 추가

예제를 보면서 각 상황에 대해서 설명하겠습니다.

-1. Serial Dispatch Queue에 Sync하게 Task 추가

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("test", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_sync(queue, ^{ NSLog(@"1"); });
dispatch_sync(queue, ^{ NSLog(@"2"); });
dispatch_sync(queue, ^{ NSLog(@"3"); });

Serial Queue를 생성한 후, 위와 같이 Sync 하게 Task를 추가하게 되면, 넣은 순서대로 실행이 되므로, 결과는 아래와 같습니다.

1 2 3

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-2. Serial Dispatch Queue에 Async하게 Task 추가

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("test", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_async(queue, ^{ NSLog(@"1"); });
dispatch_async(queue, ^{ NSLog(@"2"); });
dispatch_async(queue, ^{ NSLog(@"3"); });

Serial Queue를 생성한 후, 위와 같이 Async 하게 Task를 추가하게 되어도, 결국은 Serial하게 1개의 Task씩 실행하며, 다른 Task의 추가를 먼저 들어간 Task의 실행까지 Blocking 하므로, 위와 같이 동일한 실행순서를 보여줍니다.

1 2 3

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-3. Async Dispatch Queue에 Sync하게 Task 추가

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("test", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
dispatch_sync(queue, ^{ NSLog(@"1"); });
dispatch_sync(queue, ^{ NSLog(@"2"); });
dispatch_sync(queue, ^{ NSLog(@"3"); });

위와 같이 Concurrent Queue를 생성한 후, Sync하게 Task를 추가하게 되면, 각 Task가 실행되기 전까지 Task추가를 하지 않으므로, 아래와 같은 결과를 보여줍니다.

1 2 3

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-4. Async Dispatch Queue에 Async하게 Task 추가

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("test", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
dispatch_async(queue, ^{ NSLog(@"1"); });
dispatch_async(queue, ^{ NSLog(@"2"); });
dispatch_async(queue, ^{ NSLog(@"3"); });

Concurrent Queue에 Async하게 Task를 추가하게 되면 각 Task가 Queue에 들어가게 되며, 특정한 개수만큼 동시에 실행이 됩니다. 그래서 아래와 같은 결과(상황에 따라 계속 달라지는)를 얻게 됩니다.

1 3 2

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3. Dispatch Queue에 Timer 추가

Dispatch Queue에 특정 시간 이후에 Task를 추가하는 방법에 대해서 살펴보겠습니다.

특정 시간 후에, Dispatch Queue에 Task를 추가하기 위해서는 disaptch_after를 사용합니다. 사용 예는 다음과 같습니다.

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("test",  DISPATCH_QUEUE_SERIAL);

double delayAfter = 3.0;
dispatch_time_t pushTime = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(delayAfter * NSEC_PER_SEC));

dispatch_after(pushTime, queue, ^{ NSLog(@"1"); });
dispatch_async(queue, ^{ NSLog(@"2"); });
dispatch_async(queue, ^{ NSLog(@"3"); });

위와 같은 구문을 실행하게 되면, 3초 후에 Queue에 추가되어 실행이 되므로 그 결과는 다음과 같습니다.

2 3 1

• Dispatch Queue에 Task를 추가한다는 의미는 특정 시간 이후에 실행된다는 의미와는 다릅니다. Task 추가 시간과 실행시간은 엄연히 구분해서 이해해야 합니다.

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4. Dispatch Queue의 우선순위

Global Queue나 Main Queue를 제외한, 사용자 생성큐(dispatch_queue_create(...))의 우선순위는 Global Queue의 Default Queue와 그 우선순위가 같습니다. 이러한 우선순위를 바꾸기 위해서 우리는 dispatch_set_target_queue를 사용할 수 있습니다.

dispatch_queue_t queueHigh = dispatch_queue_create("test1", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_queue_t queueLow = dispatch_queue_create("test2", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);

dispatch_queue_t globalQueueHigh = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH, 0);
dispatch_set_target_queue(queueHigh, globalQueueHigh);

dispatch_queue_t globalQueueLow = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_LOW, 0);
dispatch_set_target_queue(queueLow, globalQueueLow);

dispatch_async(queueLow, ^{ NSLog(@"1"); });
dispatch_async(queueHigh, ^{ NSLog(@"2"); });
dispatch_async(queueLow, ^{ NSLog(@"3"); });
dispatch_async(queueHigh, ^{ NSLog(@"4"); });

위와 같은 구문을 실행시키면, queueHigh의 우선순위가 높게 배정되므로 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.

2 4 1 3

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5. Dispatch Group

만약 일련의 Task 들을 같은 그룹으로 묶어서 처리하고 싶을 때는 어떻게 해야 할까요? 그리고 그 일련의 Task 들이 작업을 모두 수행한 후에는 어떻게 Notice 를 받을 수 있을까요? 아래의 기능이 이러한 고민들을 해결해 줄 수 있습니다. dispatch_group_create, dispatch_group_async, dispatch_group_notify

dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);

dispatch_group_async(group, queue, ^{ NSLog(@"1"); });
dispatch_group_async(group, queue, ^{ NSLog(@"2"); });
dispatch_async(queue, ^{ NSLog(@"3"); });
dispatch_group_notify(group, queue, ^{ NSLog(@"작업이 모두 끝났습니다."); });
dispatch_async(queue, ^{ NSLog(@"4"); });
dispatch_async(queue, ^{ NSLog(@"5"); });

위의 작업을 수행하면 결과는 다음과 같습니다. (상황에 따라 달라질 수 있으나, 한 그룹 안의 작업이 끝난 후, notify되는 순서는 보장됩니다.)

2 1 3 5 작업이 모두 끝났습니다. 4

6. Dispatch Queue를 이용한 싱글톤 생성

개발을 하다 보면, 싱글톤을 자주 접하게 되고 구현도 하게 됩니다. GCD 에서는 싱글톤을 생성하기 위한 방법도 제공하는데 disipatch_once가 바로 그것입니다.

- (MyCustomClass *)sharedInstance {
    static dispatch_once_t onceToken;
    static MyCustomClass *instance = nil;

    dispatch_once(&onceToken, ^{
        instance = [[MyCustomClass alloc] init];
    });

    return instance;
}

맺으며

GCD 를 사용하는 여러 방법을 살펴보았습니다. Dispatch Queue를 생성하고, Queue에 Task들을 Async 혹은 Sync하게 Push하는 법과, 일정 시간 후 Queue에 Task를 추가하는 법, 싱글톤을 생성하는 법 등을 다뤘습니다.

해당 포스트에서 다루지 못한 여러 GCD 내용들도 있습니다. 가령, dispatch_apply나 dispatch_barrier_async, dispatch_barrier_sync, 세마포어를 다루는 dispatch_semaphore_t 등에 대한 것은 기회가 되면 다음 포스트에서 다뤄보도록 하겠습니다.

Dispatch Queue를 사용하는 것만이 정답은 아닙니다. 직접적으로 Thread를 관리해야 할 경우도 있고, NSOperationQueue를 사용하는 방법도 있습니다. 하지만, 코드의 간결성과 직관적인 것. 그리고 무엇보다 Apple에서 Thread를 직접 핸들링하지 말라고 권고하는 등의 이유로 GCD의 사용을 권합니다.

여기까지 Objective C에서의 GCD에 대해서 알아봤습니다. 조금이나마 도움이 되셨기를 바라며 더욱 유익한 내용으로 다시 뵙기를 기대합니다. 감사합니다.

Reference

• Apple 문서
  • Block : https://developer.apple.com/library/ios/documentation/Cocoa/Conceptual/ProgrammingWithObjectiveC/WorkingwithBlocks/WorkingwithBlocks.html
  • GCD : https://developer.apple.com/library/ios/documentation/Performance/Reference/GCD_libdispatch_Ref/
  • LLVM : https://developer.apple.com/library/watchos/documentation/CompilerTools/Conceptual/LLVMCompilerOverview/index.html
• Blogs
  • LLVM : http://kyejusung.com/2015/11/llvm%EC%9D%B4%EB%9E%80-clang-%EB%B9%84%ED%8A%B8%EC%BD%94%EB%93%9C-%ED%8F%AC%ED%95%A8/
  • GCD : http://padgom.tistory.com/entry/iOS-%EA%B8%B0%EB%B3%B8-GCDGrand-Central-Dispatch-%EC%82%AC%EC%9A%A9%ED%95%98%EA%B8%B0