비동기 프로그래밍의 장단점

비동기 프로그래밍이란?

- 비동기 프로그래밍은 I/O 작업(파일 읽기, 네트워크 요청, 데이터베이스 쿼리 등)을 blocking 없이 처리하는 프로그래밍 기법이다. 일반적으로 I/O 작업이 완료되기를 기다리지 않고, 다른 작업을 진행할 수 있도록 한다. 비동기 프로그래밍에서는 작업을 요청한 후, 결과가 준비되었을 때 콜백이나 이벤트를 통해 알림을 받아 처리한다.

비동기 프로그래밍의 중요한 특성은 동기화되지 않은 작업을 효율적으로 처리하는 방식에 있다. 이는 CPU를 더 효과적으로 활용하게 해주며, 대규모 시스템에서 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법이다.

 

비동기 프로그래밍의 장점

I/O 대기 시간 최소화

동기식 프로그래밍은 I/O 작업을 요청한 후 해당 작업이 끝날 때까지 다른 일을 하지 않고 기다리는 구조다. 예를 들어, 웹 서버에서 데이터베이스에 쿼리를 보내고 그 결과를 기다리는 동안 서버는 아무것도 하지 않은 채 유휴 상태로 머무른다. 이처럼 발생하는 대기 시간 동안 CPU는 아무런 연산 없이 낭비되므로 시스템 자원이 비효율적으로 사용된다.

반면, 비동기 프로그래밍은 I/O 요청 이후 곧바로 제어권을 반환하고, 다른 작업을 계속 수행할 수 있게 한다. 데이터베이스 쿼리, 파일 읽기, 네트워크 요청 등 시간이 오래 걸리는 작업 중에도 CPU는 다른 로직을 처리할 수 있어 자원의 활용도를 극대화할 수 있다. 이처럼 I/O 대기 시간을 최소화함으로써 CPU가 더 많은 실제 작업에 집중할 수 있게 된다.

 

대부분의 I/O 작업은 유저 모드에서 커널 모드로 전환되어야 처리할 수 있다. 예를 들어, 파일 시스템 접근, 소켓을 통한 네트워크 통신, 디스크 읽기/쓰기, 데이터베이스 드라이버와의 통신 등은 운영체제의 보호된 영역인 커널 모드에서만 수행될 수 있다. 사용자가 이러한 작업을 요청하면, 시스템 콜을 통해 유저 모드에서 커널 모드로 전환되고, 커널이 해당 I/O 작업을 수행하게 된다.

동기식 구조에서는 이 전환 시점에서 CPU가 커널 모드의 I/O 작업이 완료될 때까지 유저 모드로 복귀하지 못하고 블로킹된다. 즉, 커널이 작업을 끝낼 때까지 CPU가 대기 상태로 머무르게 된다. 반면, 비동기 프로그래밍에서는 해당 작업이 커널 모드에서 수행되는 동안, CPU는 다른 유저 모드 작업을 계속해서 처리할 수 있다. 이는 컨텍스트 전환 없이 유저 모드 작업 간의 스케줄링만으로 효율을 높일 수 있게 하며, 결과적으로 CPU 낭비를 줄이고 처리량을 증가시키는 데 기여한다.

자원 효율적 사용

비동기 프로그래밍은 자원 효율성을 높인다. 동기 방식에서는 요청에 대한 응답을 기다리는 동안 각 요청마다 새로운 스레드를 생성하는 경우가 많다. 요청이 많아질수록 스레드 수도 함께 증가하고, 이로 인해 시스템 오버헤드가 커져 성능 저하를 유발할 수 있다.

비동기 방식은 하나의 스레드 또는 적은 수의 스레드만으로도 수많은 요청을 처리할 수 있다. 이는 이벤트 루프와 같은 아키텍처를 통해 구현되며, 적은 리소스로도 높은 처리량을 유지하게 한다. 결과적으로 메모리와 CPU 리소스를 효율적으로 사용하고, 더 적은 자원으로 더 많은 작업을 처리할 수 있는 구조를 만든다.

효율적인 컨텍스트 스위칭

컨텍스트 스위칭이란?

컨텍스트 스위칭은 운영체제가 하나의 스레드에서 다른 스레드로 실행을 전환하는 과정을 말한다. 이때 CPU는 현재 실행 중인 스레드의 상태(Context)를 저장하고, 새롭게 실행할 스레드의 상태를 복원해야 한다. 이 과정은 메모리 접근, 레지스터 백업 및 복구 등으로 인해 상당한 오버헤드를 유발한다.

스레드 전환 자체의 비용이 크기 때문에, 대규모 요청을 처리할 때 많은 스레드를 생성하고 전환하면 CPU는 실제 로직 처리보다 상태 전환에 더 많은 자원을 사용하게 된다. 특히 커널 모드와 유저 모드 간의 전환이 빈번하게 발생하면 이 오버헤드는 더 커진다. 비동기 프로그래밍은 이러한 컨텍스트 스위칭을 최소화하는 데 효과적이다.

 

동기식 vs 비동기식 컨텍스트 스위칭

동기식 프로그래밍은 일반적으로 Thread-per-request 구조를 따른다. 즉, 사용자 요청 하나당 하나의 스레드를 할당해서 처리하는 방식이다. 사용자가 많아질수록 스레드 수가 증가하고, 이로 인해 컨텍스트 스위칭 횟수도 함께 증가한다. 결국 CPU는 연산보다 스레드 상태 저장과 복구에 더 많은 시간을 소모하게 되며 성능 저하로 이어진다.

 

비동기 프로그래밍은 이벤트 루프 또는 리액터 패턴 같은 비차단 I/O 기반 아키텍처를 활용하여 적은 수의 스레드로도 많은 작업을 동시에 처리할 수 있다. 대부분의 시간은 I/O 대기 상태로 흘러가는데, 이 시간을 활용해 다른 요청을 처리할 수 있다. 이 구조는 스레드를 전환할 필요가 없어 컨텍스트 스위칭 비용을 줄이고, CPU가 더 많은 시간을 실제 로직 처리에 사용할 수 있게 만든다.

비동기 프로그래밍의 장점이 돋보이는 이유

블로킹 문제 해결

동기식 프로그래밍에서는 하나의 작업이 완료될 때까지 기다려야 하므로 블로킹 문제가 발생한다. 예를 들어, 외부 API 호출이나 데이터베이스 쿼리 등이 블로킹되면, 해당 스레드는 다른 작업을 진행하지 못하고 대기하게 된다. 비동기 프로그래밍은 이러한 블로킹 상태를 회피하고, 대기 시간 동안 다른 작업을 병렬로 처리할 수 있어 시스템 전반의 처리량을 크게 개선할 수 있다.

높은 확장성

비동기 프로그래밍은 서버가 동시에 처리할 수 있는 요청 수를 획기적으로 증가시킨다. 이는 서버의 확장성을 높이며, 사용자 수나 트래픽이 증가할 때도 성능 저하 없이 안정적으로 대응할 수 있게 만든다. 특히 실시간성이 요구되거나, I/O 비중이 큰 환경에서는 비동기 방식이 탁월한 선택지가 된다.

 

비동기 프로그래밍의 단점

복잡한 코드 관리

비동기 프로그래밍은 동기식 프로그래밍에 비해 코드가 복잡해질 수 있다. 특히, 콜백 함수나 이벤트 기반 구조에서의 코드 흐름은 추적하기 어려워질 수 있다. 여러 개의 비동기 작업이 서로 의존적일 때, 그 순서와 상태를 관리하는 것이 까다로울 수 있다. 이로 인해 코드가 복잡해지고, 유지보수가 어려워질 수 있다.

디버깅의 어려움

동기 코드에서는 작업들이 동시에 실행되므로, 발생하는 버그를 추적하기 어려운 경우가 많다. 특히, 비동기적인 흐름에서 발생한 오류는 동기식 코드에서처럼 바로 눈에 띄지 않으며, 상태가 예상치 못한 시점에 변경될 수 있다. 이로 인해 디버깅을 위한 로그를 추가하거나, 시점에 맞춰 오류를 추적하는 데 많은 시간과 노력이 들어갈 수 있다.

I/O 병목 현상

비동기 프로그래밍이 가장 큰 장점을 발휘하는 것은 I/O 작업에서이다. 그러나 모든 상황에서 비동기 프로그래밍이 이상적이지는 않다. I/O 대기 시간이 길거나 여러 작업이 병렬로 이루어져야 할 때 비동기 방식을 사용해도 시스템의 성능이 크게 향상되지 않을 수 있다. 예를 들어, 너무 많은 네트워크 요청이나 데이터베이스 쿼리가 동시에 발생하는 경우, 이를 처리하기 위한 리소스가 한계에 다다를 수 있다. 이 경우 비동기 방식이 오히려 시스템을 과부하에 빠뜨릴 수 있다

CPU 작업의 비효율성

비동기 프로그래밍은 CPU 자원을 효율적으로 활용한다고 하지만, 여전히 일부 연산 작업에서 CPU를 효율적으로 사용할 수 없는 경우가 있다. 특히, CPU 바운드 작업(예: 복잡한 계산, 데이터 처리 등)에는 비동기 프로그래밍이 효과적이지 않다. 이런 경우 CPU를 차지하고 있는 작업이 끝날 때까지 다른 작업을 처리할 수 없기 때문에, 비동기 방식이 큰 이점을 발휘하지 못한다.

컨텍스트 스위칭의 오버헤드

비동기 프로그래밍은 스레드를 적게 사용하지만, 여러 비동기 작업을 동시에 처리하기 위해 이벤트 루프와 같은 메커니즘이 동작한다. 이때, 많은 비동기 작업이 겹칠 경우, 이벤트 루프에서 컨텍스트 스위칭이 자주 일어나게 된다. 이 과정에서도 일정한 오버헤드가 발생하며, 과도한 컨텍스트 스위칭은 성능을 저하시킬 수 있다. 특히, 매우 많은 수의 비동기 작업이 동시에 처리될 때 오히려 성능 저하가 발생할 수 있다.

- 비동기 프로그래밍에서도 컨텍스트 스위칭이 일어나긴 하지만 멀티스레드에 비해서는 오버헤드와, 성능저하가 더 적다.

 

결론적으로, 비동기 프로그래밍은 I/O 대기 시간을 최소화하고 CPU 자원을 효율적으로 활용할 수 있는 강력한 기법이지만, 과도한 비동기 작업으로 인한 컨텍스트 스위칭 오버헤드나 복잡한 코드 관리 등의 단점도 존재한다. 반면, 멀티스레딩은 병렬 작업을 처리하는 데 유리하지만, 스레드 수가 많아지면 컨텍스트 스위칭 비용과 CPU 자원 낭비가 발생할 수 있다. 각 기법은 그 특성과 적합한 환경에 맞춰 사용해야 하며, 대규모 I/O 처리나 트래픽이 많은 웹 서버에는 비동기 프로그래밍이 더 효과적일 수 있다. 그러나 
CPU 집약적인 연산이나 병렬 작업이 중요한 시스템에서는 멀티스레딩이 적합할 수 있다.