Kotlin 코루틴의 비동기는 어떻게 동작할까?

Posted Dec 8, 2024

By happy-nut

10 min read

코루틴은 매번 정리하고 까먹고를 반복하는데 이건 내가 제대로 이해하지 못했다는 선명한 반증이다.
내가 코루틴에 대한 피상적인 이해는 요약하자면 다음과 같다.

코루틴은 중단 함수를 만나면 자신의 작업을 중단하고, CPU를 양보한다.
코루틴을 실행하던 해당 스레드는 양보 받은 CPU로 다른 작업을 수행한다.
그렇기 때문에 일반적인 멀티스레딩 방식에 비해 스레드 블락이 없어 더 나은 성능을 낸다.

몇몇 의문점이 드는 부분이 있어 내부 동작부터 살펴보았다.

내부 동작

아래와 같은 코드가 있다고 해보자.

  
suspend fun doAsyncTask(): String {
  println("Task started")
  delay(2000) // (2)
  println("Task completed") // (3)
  return "Result"
}

fun main() = runBlocking {   // (1)
  println("Calling doAsyncTask")
  val result = doAsyncTask()
  println("Result: $result")
}

세세한 동작 과정은 다음과 같다.

(1) 에서 runBlocking 이 코루틴을 실행시키는데, 현재 스레드인 Main 스레드를 점유하고 코루틴이 끝날때까지 대기한다.
(2) 에서 중단 함수delay를 만난다. CPU를 양보했고 Main 스레드 역시 블락하지 않았지만, 다른 작업을 수행할 수 없으므로 Main 스레드는 유휴 상태로 대기한다.
대기가 완료되면 (3) 부터 재개된다.

사실 위와 같이 runBlocking 을 사용하면 코루틴의 성능을 전혀 누리지 못하는 것이다. 이를 활용하기 위해 2번 과정에서 다른 작업을 수행하도록 하려면 async 나 launch 같은 코루틴 빌더를 쓰면 된다.

  
fun main() = runBlocking {
  launch {
    delay(1000)
    println("Task 1 completed")
  }

  launch {
    delay(500)
    println("Task 2 completed")
  }

  println("Main is working")
}

위 코드는 main 스레드가 두 개의 launch 코루틴을 동시에 실행한다.
그리고 여기까지는 코루틴의 기본적인 용법에 해당하므로 지금까지 별 탈 없이 잘 써왔다.

어떻게 재개하는 것이 가능한가

첫 번째 궁금증이다. 어떻게 재개하는 것이 가능한가? 스택 프레임 캡쳐라도 뜨는 것인가?

그렇지 않다.

중단되었던 코루틴이 다시 재개되었을 때, 코루틴은 Continuation 객체에 상태를 저장한다. Kotlin 코루틴은 일반적인 스택 기반 함수 호출 방식이 아니라 상태 머신 기반으로 동작하는데, 예를 들면 다음과 같다.

  
suspend fun myFunction() {
  println("Step 1")
  delay(1000)
  println("Step 2")
}

위 코드를 컴파일러가 state machine 디자인 패턴을 기반으로 아래처럼 바꿔준다.

  
class MyFunctionContinuation(var state: Int = 0) : Continuation<Unit> {
  override fun resumeWith(result: Result<Unit>) {
    when (state) {
      0 -> {
          println("Step 1")
          state = 1
          delay(1000, this) // 중단 후 재개
      }
      1 -> {
          println("Step 2")
      }
    }
  }
}

사실상 재개되었을 때의 경우를 감안한 코드를 Continuation 객체로 밀어넣어 Ins 포인터나 스택 포인터를 바꾸지 않고도 단지 state만 바꿔서 함수콜을 하는 방식인 것이다.

그렇다면 로컬 변수가 선언되고 쓰이는 경우는 어떨까?

다른 스레드에게 양보했다가 돌아왔을 때 어떻게 참고하는 것이 가능한 걸까?

Continuation이 왜 함수 콜백이 아니라 클래스인지를 이해하면 쉽다. 클래스를 쓰는 이유는 상태를 관리하기 위해서다.

  
suspend fun myFunction() {
  val x = 42
  println("Step 1: $x")
  delay(1000)
  println("Step 2: $x")
}

위 코드가 Continuation 객체로 변환된 모습은 다음과 같다.

  
class MyFunctionContinuation(var state: Int = 0, var x: Int = 0) : Continuation<Unit> {
  override fun resumeWith(result: Result<Unit>) {
    when (state) {
      0 -> {
        x = 42
        println("Step 1: $x")
        state = 1
        delay(1000, this)
      }
      1 -> {
        println("Step 2: $x")
      }
    }
  }
}

누가 재개하는가

두 번째 궁금증이다. 완료되었음을 어떻게 감지하고, 누가 함수콜을 하는 것인가?

완료되었음을 감지하기 위해, 코루틴은 비동기 작업을 관리하는 디스패처와 이벤트 루프를 사용한다. 이들은 비동기 작업의 완료 여부를 추적하고, 완료되었을 때 디스패처가 Continuation.resumeWith를 호출하여 코루틴을 재개하는데 정확한 순서를 따져보면 이렇다.

이벤트 루프는 매번 폴링을 통해 task queue를 확인하는 게 아니라, 콜백이 등록되었을 때 실행하도록 동작하기 때문에 리소스의 낭비가 없다.

sequenceDiagram
    participant Main as Main Function
    participant Coroutine as Coroutine
    participant Dispatcher as Dispatcher
    participant EventLoop as Event Loop
    participant AsyncTask as Async Task

    Main->>Coroutine: Call suspend function
    Coroutine->>Dispatcher: Save Continuation state
    Dispatcher->>AsyncTask: Start async task
    Note right of AsyncTask: Task runs in the background

    AsyncTask-->>Dispatcher: Task completion signal
    Dispatcher->>EventLoop: Add callback to task queue
    EventLoop-->>Coroutine: Execute callback (resumeWith)
    Coroutine->>Main: Resume execution

코루틴 suspend
- 실행 지점과 로컬 변수를 담은 Continuation 객체를 생성하고 코루틴은 대기 상태로 전환된다.
비동기 작업 실행
- 이 작업은 OS 커널, 네트워크 드라이버, I/O 처리기에서 실행 되며 스레드는 블락되지 않는다.
비동기 작업 완료
- 디스패처가 시스템(OS, 네트워크 드라이버 등)으로부터 완료 신호를 받는다.
이벤트 큐에 콜백 등록
- 디스패처가 작업 완료 시점에 적절한 스레드 컨텍스트에서 실행할 수 있는 콜백을 이벤트 큐에 추가합
이벤트 루프 실행
- 이벤트 큐는 큐에 새로운 작업이 없으면 유휴 상태로 대기하다가 작업이 추가되면 즉시 실행을 시작한다.
코루틴 resume
- 콜백안에서 Continuation.resumeWith를 호출하여 코루틴을 재개한다.

결론

지금까지 알아본 내용을 요약하면 다음과 같다.

코루틴은 중단 함수를 만나면 자신의 작업을 중단하고, CPU를 양보한다.
코루틴을 실행하던 해당 스레드는 양보 받은 CPU로 다른 작업을 수행한다.
그렇기 떄문에 일반적인 멀티스레딩 방식에 비해 스레드 블락이 없어, 더 나은 성능을 낸다.
코루틴은 상태 머신 기반으로 동작하며, 중단된 코루틴은 Continuation 객체에 상태를 저장한다.
비동기 작업의 완료 여부를 추적하기 위해 코루틴은 디스패처와 이벤트 루프를 사용한다.
비동기 작업이 완료되면 디스패처가 Continuation.resumeWith를 호출하여 코루틴을 재개한다.
이벤트 루프는 콜백이 등록되었을 때 실행하도록 동작하기 때문에 리소스의 낭비가 없다.

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내부 동작

어떻게 재개하는 것이 가능한가

누가 재개하는가

결론

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