[OS] 비동기 프로그래밍

비동기 프로그래밍

 

1. 비동기 프로그래밍이란?

• 비동기 프로그래밍(Asynchronous Programming):
  • 작업이 완료될 때까지 기다리지 않고, 다른 작업을 수행할 수 있도록 처리하는 방식.
  • **시간이 오래 걸리는 작업(예: 파일 다운로드, 네트워크 요청)**이 진행되는 동안 앱이나 프로그램이 멈추지 않고 다른 작업을 계속 실행.
• 동기적 프로그래밍과의 차이점:
  • **동기적 프로그래밍(Synchronous Programming)**은 작업을 순차적으로 실행하며, 이전 작업이 완료될 때까지 기다려야 다음 작업을 시작.
  • 반면, 비동기 프로그래밍은 작업의 완료 여부와 관계없이 다른 작업을 병렬적으로 실행.

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2. 비동기 프로그래밍의 필요성

• 효율적인 자원 사용:
  • I/O 작업(네트워크, 파일 시스템 등)에서 작업 완료를 기다리지 않고, 유휴 상태인 CPU를 활용 가능.
• 사용자 경험 개선:
  • 긴 작업이 진행되는 동안 애플리케이션이 멈추거나 응답하지 않는 문제를 방지.
• 동시성 지원:
  • 여러 작업이 동시에 실행되도록 설계하여 멀티태스킹 구현 가능.

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3. 동기와 비동기의 차이

	동기 프로그래밍	비동기 프로그래밍
작업 방식	작업이 순차적으로 실행됨.	작업이 병렬적으로 실행 가능.
작업 흐름	이전 작업이 끝나야 다음 작업이 실행됨.	작업 완료 여부와 관계없이 다른 작업을 실행 가능.
장점	구현이 단순하고 이해하기 쉬움.	응답성이 좋고, 자원 활용이 효율적.
단점	시간이 오래 걸리는 작업이 전체 흐름을 막을 수 있음.	구현 복잡도가 높아질 수 있음(콜백 지옥, 오류 처리 등).
사용 사례	계산, 순차적 처리 로직.	네트워크 요청, 대규모 데이터 처리, 사용자 인터페이스 응답.

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4. 비동기 프로그래밍의 예시

예시 1: 동기 프로그래밍

// 동기 방식: 모든 작업이 순서대로 실행
System.out.println("1. 5GB 영상 다운로드 중...");
Thread.sleep(5000); // 5초 동안 대기
System.out.println("2. 메일 전송 중...");
Thread.sleep(2000); // 2초 동안 대기
System.out.println("3. 알림 전송 완료!");

• 출력:

  1. 5GB 영상 다운로드 중...
  2. 메일 전송 중...
  3. 알림 전송 완료!
  

• 동기 방식에서는 앞선 작업이 끝날 때까지 다음 작업이 대기.

예시 2: 비동기 프로그래밍

// 비동기 방식: 각 작업이 병렬적으로 실행
System.out.println("1. 5GB 영상 다운로드 요청!");
CompletableFuture.runAsync(() -> {
    try {
        Thread.sleep(5000); // 5초 동안 대기 (다운로드)
        System.out.println("2. 영상 다운로드 완료!");
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
});
System.out.println("3. 메일 전송 중...");
Thread.sleep(2000); // 2초 동안 대기
System.out.println("4. 알림 전송 완료!");

• 출력:

  1. 5GB 영상 다운로드 요청!
  3. 메일 전송 중...
  4. 알림 전송 완료!
  2. 영상 다운로드 완료!
  

• 작업이 병렬로 실행되어 응답성이 향상.

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5. 비동기 프로그래밍을 활용한 생활 속 사례

1. 웹 브라우저:
   • 웹 페이지를 로드하는 동안 이미지나 추가 데이터를 백그라운드에서 다운로드.
2. 모바일 앱:
   • 사용자가 앱을 탐색하는 동안, 새로운 메시지나 알림을 비동기로 가져옴.
3. 게임:
   • 게임 플레이 중, 백그라운드에서 리소스 로드 또는 업데이트.
4. 파일 업로드:
   • 사용자가 다른 작업을 계속할 수 있도록 대용량 파일을 비동기적으로 업로드.

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6. 비동기 프로그래밍의 장점과 단점

장점	단점
사용자 경험(UX) 개선: 응답성 향상 및 애플리케이션 정지 방지.	복잡한 구현: 콜백 지옥, 오류 처리 어려움.
리소스 효율성: CPU와 메모리 자원을 효과적으로 사용 가능.	디버깅 및 유지보수 어려움.
대규모 작업 처리: I/O 작업이나 네트워크 요청을 효율적으로 처리 가능.	동기 작업보다 설계 및 코드 작성에 더 많은 시간 필요.

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7. 비동기 프로그래밍 구현 방식

1. 콜백 (Callback):
   • 특정 작업 완료 후 실행할 동작을 미리 정의.
   • 단점: "콜백 지옥"으로 인해 코드 가독성이 떨어질 수 있음.
2. Promise/Future:
   • 작업 완료 후 반환값을 처리하는 객체.
   • 단점: 여러 Promise를 연결하면 복잡해질 수 있음.
3. Async/Await:
   • 비동기 작업을 동기 코드처럼 읽기 쉽게 작성.
   • 단점: 예외 처리를 적절히 구현해야 함.

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8. 비동기 프로그래밍이 적합한 상황

• 네트워크 요청:
  • 외부 API 호출, 데이터베이스 쿼리 등.
• 대용량 작업 처리:
  • 파일 입출력, 대규모 데이터 처리.
• 사용자 인터페이스 응답성 개선:
  • UI 작업 중 애플리케이션 멈춤 방지.

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결론

비동기 프로그래밍은 애플리케이션의 성능과 응답성을 높이는 데 매우 중요한 프로그래밍 기법입니다. 동기적 흐름에서 발생할 수 있는 병목 현상을 해결하고, 사용자가 더 나은 경험을 할 수 있도록 돕습니다. 하지만 구현의 복잡성이 증가할 수 있으므로, **상황에 맞는 패턴(콜백, Promise, Async/Await)**을 사용해 관리해야 합니다.