[Coroutine] 코루틴의 실제 구현

 💡 실제 코루틴 내부가 어떻게 작동하는지 이해하기 위한 학습입니다.

 

코루틴의 실제 구현?

• 중단 함수는 함수가 시작할 때와 중단 함수가 호출되었을 때 상태를 가진다는 점에서 상태 머신(state machine)과 비슷합니다.
  • *state machine : 하나의 상태만을 가지는 추상 기계
• 컨티뉴에이션(continuation) 객체는 상태를 나타내는 숫자와 로컬 데이터를 가지고 있습니다.
  • 함수의 컨티뉴에이션 객체가 이 함수를 부르는 다른 함수의 컨티뉴에이션 객체를 장식(Decorate)이라고 합니다.
  • 컨티뉴에이션 객체는 실행을 재개하거나 재개된 함수를 완료할 때 사용되는 콜 스택으로 사용됩니다.

컨티뉴에이션 전달 방식 (CPS)

• continuation-passing style
• 프로그램의 흐름을 제어하기 위해 continuation를 명시적으로 전달하는 스타일이며, 프로그램의 현재 상태를 나타내는 객체인 continuation을 다음 함수 호출에 전달하여 제어 흐름을 유지합니다.
• 함수에서 함수로 인자를 통해 전달되며, 마지막 파라미타로 전달됩니다.

suspend fun getUser() : User?

// 내부는..
fun getUser(continuation: Continuation<*>): Any

• Nullable 형태로 바뀐 이유는, 중단 함수를 실행하는 도중에 중단되면 선언된 타입의 값을 반환하지 않을 수도 있기 때문입니다.
• 각 함수는 자신만의 컨티뉴에이션 객체를 필요로 합니다.

일반적인 비동기 작업 with asyncTask

fun main() {
    println("Before")
    asyncTask {
        println("After")
    }
}

fun asyncTask(callback: () -> Unit) {
    Thread.sleep(1000) // delay
    callback()
}

• 위 코드에서는 asyncTask가 완료된 후에 콜백을 호출합니다.
• 해당 작업을 CPS(continuation-passing style)로 수정하면 아래와 같습니다.

fun main() {
    println("Before")
    asyncTask(::afterTask)
}

fun asyncTask(continuation: () -> Unit) {
    Thread.sleep(1000) // delay
    continuation()
}

fun afterTask() {
    println("After")
}

• 여기서 asyncTask는 작업이 완료된 후 호출할 continuation을 인수로 받으며, continuation는 작업이 완료되면 호출됩니다.

코틀린 코루틴에서는?

• 코틀린 코루틴에서는 이 개념이 중단을 재개할 수 있게 하는 내부 메커니즘으로 사용됩니다.
• suspend 함수를 활용하여 내부적으로 continuation을 사용하여 코루틴의 중단 지점을 관리합니다.

fun main() {
    val continuation = suspendAndSetContinuation()
    continuation.resume(Unit)
    println("After resuming")
}

suspend fun suspendAndSetContinuation(): Continuation<Unit> {
    return suspendCoroutine { cont ->
        println("Before suspending")
        cont // Return the continuation to the caller
    }
}

상태를 가진 함수

• 함수가 중단된 후에 다시 사용할 지역 변수나 파라미터와 같은 상태를 가지고 있다면, 함수의 컨티뉴에이션 객체에 상태를 저장해야 합니다.

suspend fun myFunction() {
    println("Before")
    var counter = 0
    delay(1000) //중단 함수
    counter++
    println("Counter: $counter")
    println("After")
}

• counter는 0과 1로 표시된 두 상태를 가지게 됩니다.
• 이 때 컨티뉴에이션 객체를 통해서 이를 전달해야하며, 중단되기 전에 값을 저장하고 재개될 때 복구됩니다.

값을 받아 재개되는 함수

• 중단 함수로부터 값을 받아야하는 경우를 살펴보겠습니다.

suspend fun printUser(token: String) {
    println("Before")
    val userId = getUserId(token) // 중단 함수
    println("Got UserId: $userId")
    val userName = getUserName(userId, token) //중단 함수
    println(User(userId,userName))
    println("After")
}

• 두 가지 중단 함수가 있으며 아래와 같은 제약사항이 있습니다.
  • token이라는 파라미터를 받으면 중단 함수는 특정 값을 반환해야 한다.
  • 파라미터와 반환값 모두 컨티뉴에이션 객체에 저장되어야 한다.
• 함수가 값으로 재개되었다면 결과는 Result.Success(value)가 됩니다.
• 반면에 예외로 재개되었다면 결과는 Result.Failure(exception)이 되며 예외를 던집니다.

콜 스택(call stack)

• 함수 a가 함수 b를 호출하면 가상 머신은 a의 상태와 b가 끝나면 실행이 될 지점을 어딘가에 저장해야 합니다.
• 이를 코루틴에서는 콜 스택(call stack)이라는 자료구조에 저장하며, 코루틴을 중단하면 스레드를 반환해 콜 스택에 있는 정보를 제거합니다.
  • 코루틴을 재개할 때 콜 스택을 사용할 수없으므로, 컨티뉴에이션 객체가 콜 스택의 역할을 대신합니다.
• 따라서 컨티뉴에이션 객체는 아래와 같은 정보를 가집니다.
  • 중단 되었을 때의 상태(label)
  • 지역 변수와 파라미터(필드)
  • 중단 함수를 호출한 함수가 재개될 위치 정보

컨티뉴에이션 객체의 참조

• 하나의 컨티뉴에이션 객체가 다른 하나를 참조하고, 참조된 객체가 또다른 컨티뉴에이션 객체를 참조합니다.
• 이 때문에 컨티뉴에이션 객체는 거대한 양파와 같으며, 일반적으로 콜 스택에 저장되는 정보를 모두 가지고 있습니다.

컨티뉴에이션 객체의 동작 순서

1. 컨티뉴에이션 객체가 재개될 때 각 컨티뉴에이션 객체는 자신이 담당하는 함수를 먼저 호출합니다.
2. 함수의 실행이 끝나면 자신이 호출한 함수의 컨티뉴에이션을 재개합니다.
3. 재개된 컨티뉴에이션 객체 또한 담당하는 함수를 호출합니다.
4. 이 과정을 스택의 끝에 다다를 때까지 반복합니다.

override fun resumeWith(result: Result<String>) {
    this.result = result
    val res = try {
        val r = printUser(token,this)
        if (r == COROUTINE_SUSPENDED) return
        Result.success(r as Unit)
    } catch(e: Throwable) {
        Result.failure(e)
    }
    completion.resumeWith(res)
}

• 함수 a가 함수 b를 호출하고, 함수 b는 함수 c를 호출할 때, 함수 c에서 중단된 상황을 확인해보겠습니다.
• 실행이 재개되면 c의 컨티뉴에이션 객체는 c 함수를 먼저 재개합니다.

• a() → b() → c()에서 중단된다면, c() 재개 → b() 재개 → a() 재개 순으로 동작합니다.

예외 상황에서는?

• 예외를 던질 때도 이와 비슷하게 동작합니다.
• resumeWith에서 잡히면 Result.failure(e)로 래핑되며, 예외를 던진 함수를 호출한 함수는 포장된 결과를 받을 수 있습니다.
• 중단된 함수가 재개했을 때 컨티뉴에이션 객체로부터 상태를 복원하고, 얻은 결과를 사용하거나 예외를 던져야 합니다.

실제 코루틴 코드

• 컨티뉴에이션 객체와 중단 함수를 컴파일한 실제 코드는 최적화되어 있으며, 아래와 같은 몇 가지 처리 과정이 더 포함되어 있습니다.
  • 예외가 발생했을 때 더 나은 스택 트레이스 생성
  • 코루틴 중단 인터셉션
  • 사용하지 않는 변수를 제거하거나, 테일콜 최적
  • tail-call : 함수를 호출하여 값을 반환받은 뒤 어떠한 후처리 없이 그대로 반환하는 방식
  • tail-call optimization : 테일콜로 짜여진 코드에서 테이콜로 호출하는 함수에 대한 스택을 만들지 않고, 함수가 반환한 값을 대신 사용하여 스택을 최소한으로 만드는 최적화 방식

중단 함수의 성능

• 코루틴 내부 구현을 본다면 대부분의 사람들이 비용이 클 것이라고 생각하지만, 실제로는 그렇지 않습니다 !
• 함수를 상태로 나누는 것은 비용이 거의 없으며, 간단한 방식을 활용합니다.
• Rxjava나 콜백 함수의 성능과 비교했을 때 큰 비용을 요구하지 않습니다.

요약

• 중단 함수는 상태 머신과 비슷하며, 함수가 시작될 때와 중단 함수를 호출한 뒤의 상태를 가집니다.
• 상태를 나타내는 값과 로컬 데이터는 컨티뉴에이션 객체에 저장됩니다.
• 호출한 함수의 컨티뉴에이션 객체는 함수가 재개될 때 또는 재개된 함수가 완료될 때 사용되는 콜 스택의 역할을 합니다.

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코틀린 코루틴 - 예스24