https://www.andyibanez.com/posts/structured-concurrency-with-group-tasks-in-swift/

이 글을 읽기 전에 구조화된 컨커런시와 async let에 대한 이해가 필요하다. 해당 개념에 익숙하지 않다면 이 시리즈의 세 번째 글인 Swift 모던 컨커런시 - 구조적 동시성과 async let 사용법을 먼저 읽어보길 권한다.

태스크 그룹은 Swift에서 구조화된 컨커런시를 구현하는 두 번째 방법이다. async let을 살펴볼 때 한 가지 제약 사항을 발견했는데, 바로 동시에 실행할 태스크의 수를 유연하게 조정할 수 없다는 점이다. 예를 들어 반복문 안에서 여러 태스크를 실행하려고 하면 각 결과를 await해야 하기 때문이다. 이로 인해 여러 이미지를 동시에 다운로드하는 등의 작업이 제한된다.

Swift는 이러한 제약을 해결하기 위해 태스크 그룹이라는 기능을 제공한다.

태스크 그룹

태스크 그룹은 async let보다 더 유연하면서도 구조화된 동시성의 단순함을 유지한다.

태스크 그룹은 동적인 동시성을 제공하기 위해 설계된 구조화된 동시성의 한 형태다. 이를 사용하면 여러 태스크를 *그룹*으로 묶어 동시에 실행할 수 있다.

태스크 그룹을 시작하는 두 가지 방법이 있다:

• withThrowingTaskGroup 호출
• withTaskGroup 호출

이 글 시리즈에서 여러 번 살펴봤듯이, 오류를 발생시킬 수 있는 태스크와 그렇지 않은 태스크에 대해 각각 다른 버전이 존재한다. 그룹에 추가된 태스크는 그룹이 정의된 블록 범위를 벗어날 수 없다. 자식 태스크가 그룹에 추가되면 즉시 어떤 순서로든 실행이 시작되므로, 자식 태스크 간에 의존성이 없도록 코드를 설계해야 한다. 그룹이 범위를 벗어나면 내부의 모든 태스크 완료가 암시적으로 await 된다.

구조화된 동시성을 사용하면 그룹 내부에 async let 태스크를 생성할 수 있고, 반대로 async let 호출 내부에 태스크 그룹을 시작할 수도 있다.

다음과 같이 태스크 그룹 내에서 변수를 수정하려고 시도하면:

func downloadMultipleImagesWithMetadata(images: Int...) async throws -> [DetailedImage]{
    var imagesMetadata: [DetailedImage] = []
    try await withThrowingTaskGroup(of: Void.self, body: { group in
        for image in images {
            group.async {
                async let image = downloadImageAndMetadata(imageNumber: image)
                imagesMetadata +=  [try await image]
            }
        }
    })
    return imagesMetadata
}

이 코드는 ‘Beginning Concurrency in Swift: Structured Concurrency and async-let’에 작성된 코드의 변형이다. 예제는 Explore structured concurrency in Swift WWDC2021 강연을 기반으로 한다.

컴파일러는 imagesMetadata가 여러 태스크에 의해 동시에 안전하지 않게 접근될 가능성을 감지한다. 이는 여러 변수가 동시에 쓰기를 시도할 때 데이터 손상으로 이어질 수 있다. 다행히 새로운 동시성 API가 Swift에 깊게 통합되어 있어, 컴파일러가 정적으로 일부 검사를 수행하고 이러한 데이터 경쟁을 미리 방지할 수 있다.

이 코드를 컴파일하려고 하면 컴파일러는 다음과 같은 오류를 발생시킨다:

Mutation of captured var ‘imagesMetadata’ in concurrently-executing code

그렇다면 Swift는 어떻게 이런 검사를 수행할 수 있을까?

@Sendable 클로저 타입

데이터 경쟁 안전성을 도입하기 위해 Swift는 @Sendable 클로저 개념을 구현했다.

Task를 생성할 때 본문은 @Sendable 클로저이며, 이 클로저는 다음과 같은 특성을 가진다:

• 변경 가능한 변수를 캡처할 수 없다.
• 값 타입(value types), 액터(actors), 클래스, 또는 자체 동기화를 구현한 객체만 캡처해야 한다. 액터에 대해서는 추후 글에서 다룰 예정이다.

이 지식을 바탕으로 앞서 살펴본 Task Group을 수정할 수 있다. withThrowingTaskGroup이나 withTaskGroup으로 Task Group을 생성할 때, task group은 동시성 작업이 생성할 반환 타입을 매개변수로 받는다.

func downloadMultipleImagesWithMetadata(images: Int...) async throws -> [DetailedImage]{
    try await withThrowingTaskGroup(of: DetailedImage.self, body: { group in
        for image in images {
            group.async {
                async let image = downloadImageAndMetadata(imageNumber: image)
                return try await image
            }
        }
    })
}

이 메서드 구현은 아직 완성되지 않았지만 단계별로 몇 가지 중요한 수정이 이루어졌다:

• withThrowingTaskGroup의 of 매개변수는 이제 DetailedImage를 받도록 지정했다.
• 배열에 추가하는 대신, group.async는 이제 루프가 실행될 때마다 await된 DetailedImage를 반환한다.

본질적으로 우리는 DetailedImage로 그룹을 “채우고” 있으며, 결국 이를 반환할 것이다(오류가 발생하지 않는 한). 오류가 발생하면 자식 작업들이 취소되고 작업들은 중단되어야 한다. Swift의 동시성 시작: 구조화된 동시성과 async-let에서 언급했듯이, 코드 설계 시 취소 가능성을 고려하는 것은 개발자의 책임이지만 구조화된 동시성에서는 단 한 줄의 호출로 처리할 수 있다.

group 변수는 ThrowingTaskGroup<DetailedImage, Error> 타입이다. 놀랍게도 이는 컬렉션이다! filter, map, reduce 같은 함수형 프로그래밍을 적용하거나 반복할 수 있다.

func downloadMultipleImagesWithMetadata(images: Int...) async throws -> [DetailedImage]{
    var imagesMetadata: [DetailedImage] = []
    try await withThrowingTaskGroup(of: DetailedImage.self, body: { group in
        for image in images {
            group.async {
                async let image = downloadImageAndMetadata(imageNumber: image)
                return try await image
            }
        }
        for try await image in group {
            imagesMetadata += [image]
        }
    })
    return imagesMetadata
}

for try await 부분은 헷갈릴 수 있다(의도적인 말장난 아님). 하지만 Swift 5.5에서 소개된 모든 새로운 동시성 API와 함께, 우리는 새로운 AsyncSequence 타입을 갖게 되었다. 이 프로토콜은 시간이 지남에 따라 값을 수신할 타입들이 구현한다. downloadMultipleImagesWithMetadata 함수에서는 group.async를 사용해 동적으로 여러 DetailedImage 다운로드를 시작한다. 다운로드가 끝나면 for in 루프에 하나씩 전달되며, 이를 통해 루프 내에서 변수를 안전하게 수정할 수 있다.

for 루프의 await은 다른 await 호출과 동일하게 동작한다는 점에 유의하자. 실행은 해당 지점에 도달하면 일시 중단되고, 새로운 이미지가 전달되면 실행이 재개된다. 이는 for-in 루프 아래에 있는 어떤 코드도 그룹의 모든 요소가 전달될 때까지 실행되지 않는다는 의미이므로 중요하다. 세 개의 이미지를 다운로드하는 경우, 세 이미지는 동시에 다운로드될 수 있지만 for 루프는 한 번에 하나씩만 제공한다. 상당한 수의 이미지를 다운로드하는 경우, for-in 아래의 코드를 실행하기 전에 모든 이미지가 다운로드되어야 한다. 또한 오류가 발생하면 for-in이 실행을 중단할 수 있다(또는 첫 번째 다운로드가 실패하면 실행조차 되지 않을 수 있다).

AsyncSequence에 대해서는 추후 글에서 깊이 있게 다룰 예정이다.

Task Group을 다룰 때는 실제로 더 많은 유연성이 있다. 예를 들어 주어진 우선순위로 비동기 작업을 시작할 수 있다:

group.async(priority: .userInitiated) {
//...
}

여기서 priority는 Task.Priority 타입이다. 이는 취소를 다룰 때 더 유연한 제어를 제공하며, asyncUnlessCancelled 메서드도 있어 선택적으로 우선순위를 전달할 수 있다.

group.asyncUnlessCancelled(priority: nil) {
   //...
}

마지막으로 그룹에서 cancellAll()을 호출할 수도 있다. 취소는 트리 아래로 전파될 것이다.

async let과 비교했을 때 약간의 차이가 있다는 점에 유의하자. 그룹이 정상적으로 종료되어 스코프를 벗어나면 작업의 취소는 암시적이지 않다. 대신 단지 await될 뿐이다. 이는 다른 작업들이 완료될 시간을 주고 Fork-Join 모델을 표현하기 위함이다. 본질적으로 “분할 정복” 방식인 이 모델은 우리의 경우 가능한 한 많은 자식 작업으로 여러 이미지를 다운로드하는 것이다.

요약

이 글에서는 Task Groups를 사용해 Swift에서 구조화된 동시성(Structured Concurrency)을 구현하는 또 다른 방법을 배웠다. Task Groups는 루프 안에서 여러 이미지를 다운로드해야 하는 경우와 같이 동적인 동시성 작업을 실행할 때 유용하다. AsyncSequence에 대해서도 간략히 언급했으며, Task Groups와 함께 사용해 시간 경과에 따라 결과를 전달하는 방법을 살펴봤다.

이번 시리즈의 전통대로, 여기에서 다운로드할 수 있는 작은 예제 프로젝트를 준비했다. UI는 처음 몇 개 프로젝트와 동일하지만, downloadMultipleImagesWithMetadata의 컴파일 가능 버전을 직접 실행해보고 실험할 수 있다.

이 글을 통해 Swift에서 구조화된 동시성을 구현하는 두 가지 방법을 모두 살펴봤다:

• 기본적인 동시성 작업이 필요할 때는 async let을 사용한다.
• 동적으로 변하는 수의 동시성 작업을 처리해야 할 때는 Task Group을 사용한다.

다음 글에서는 비구조화된 동시성(Unstructured Concurrency)에 대해 알아볼 예정이다. 이름만 들으면 다소 복잡해 보이지만, Swift에서는 구조화된 동시성만큼 쉽게 다룰 수 있다.