Written by TY_K
on February 11, 2022

[OS] 동기와 비동기, 블로킹과 논블로킹

동기(Synchronous)와 비동기(Asynchronous)

동기/비동기는 주로 어플리케이션에서 자주 다뤄지는 개념이며, 다음 작업이 요청되는 시간과 관련되어 있다.

동기(Synchronous)

현재 작업의 응답이 끝남과 동시에 다음 작업이 요청된다.
함수를 호출하는 곳에서 호출되는 함수가 결과를 반환할 때까지 기다린다.
작업 완료 여부를 계속해서 확인한다.

비동기(Asynchronous)

현재 작업의 응답이 끝나지 않은 상태에서 다음 작업이 요청된다.
함수를 호출하는 곳에서 결과를 기다리지 않고, 다른 함수(callback)에서 결과를 처리한다.
작업 완료 여부를 확인하지 않는다.

동기 예시

function run(a, b) {
    return a + b
}

const result = run(1, 2);

console.log("시작");
console.log("결과:", result);
console.log("끝");

/**출력 결과
 * 시작
 * 결과: 3
 * 끝
 */

비동기 예시

function run(a, b) {
    return a + b
}

let result;
setTimeout(() => {
    result = run(1, 2);
}, 1000);

console.log("시작");
console.log("결과:", result);
console.log("끝");

/**출력 결과
 * 시작
 * 결과: undefined
 * 끝
 */

블로킹(Blocking)과 논블로킹(Non-Blocking)

블로킹/논블로킹은 주로 멀티 스레딩, I/O 등에서 사용되는 개념이며, 함수의 리턴 시점과 제어권에 따라 차이가 난다.

블로킹(Blocking)

제어권이 호출된 함수에게 넘어가서 호출된 함수 내에서 작업이 모두 끝난 후 호출한 함수에게 다시 제어권이 넘어온다.
작업이 완료된 후 새로운 작업을 수행할 수 있다.

논블로킹(Non-Blocking)

제어권이 계속 호출한 함수에 있기 때문에 작업의 완료여부와 관계없이 새로운 작업을 수행할 수 있다.

(http://homoefficio.github.io/2017/02/19/Blocking-NonBlocking-Synchronous-Asynchronous/)

블로킹 예시

function run() {
    // 오래 걸리는 작업
    console.log("작업 끝");
}

console.log("시작");
run();
console.log("다음 작업");

/** 출력 결과
 * 시작
 * 작업 끝
 * 다음 작업
 */

논블로킹 예시

function run() {
    // 오래 걸리는 작업
    console.log("작업 끝");
}

console.log("시작");
setTimeout(run, 0);
console.log("다음 작업");

/** 출력 결과
 * 시작
 * 다음 작업
 * 작업 끝
 */

이렇게만 보면 동기-블로킹, 비동기-논블로킹을 완전히 동일한 개념으로 생각할 수 있다. 물론 유사하게 동작하지만, 주요 관심사에 따라 차이가 난다. 앞서 언급한 호출한 함수 - 호출된 함수 이 개념을 상위 프로세스 / 하위 프로세스로 생각하면서 다음의 예시를 보자. 블로그의 예시를 좀 더 쉽게 표현하고자 노력했다(블로그에 설명이 정말 잘 되어 있으니 꼭 한 번 보면 좋을 것 같다).

상위 프로세스인 선생님(teacher)이 있고, 하위 프로세스인 학생들(student)이 있다고 가정하자. 각각의 선생님은 학생들에게 자습을 시키는데, 선생님들마다 각자의 자습 스타일이 있다. 이를 코드로 살펴보자.

동기 + 블로킹

동기+블로킹 선생님은 나이가 지긋한 FM 선생님이다. 입실 후 학생들의 자습이 모두 끝날때까지 아무것도 하지 않으면서 기다리고, 학생들의 자습이 끝나면 퇴실한다.

function student() {
    for(i=1;i<11;i++) {
        console.log(`학생: ${i}번 문제 푸는중...`);
    }
}

function teacher() {
    console.log("선생님: 입실");
    student();
    console.log("선생님: 퇴실");
}

teacher();

// 출력 결과
선생님: 입실
학생들: 1번 문제 푸는중...
학생들: 2번 문제 푸는중...
학생들: 3번 문제 푸는중...
학생들: 4번 문제 푸는중...
학생들: 5번 문제 푸는중...
학생들: 6번 문제 푸는중...
학생들: 7번 문제 푸는중...
학생들: 8번 문제 푸는중...
학생들: 9번 문제 푸는중...
학생들: 10번 문제 푸는중...
선생님: 퇴실

가장 많이 쓰이는 조합 중 하나이다.
모든 실행과 흐름이 순차적이기 때문에 개발자가 프로그램을 제어하기가 쉽다.
상위 프로세스(선생님)는 하위 프로세스(학생들)의 작업 완료 여부를 신경쓴다.
블로킹 방식이므로 하위 프로세스(학생들)의 작업이 완료되지 않으면 상위 프로세스(선생님)는 다른 작업을 할 수 없다.

동기 + 논블로킹

동기+논블로킹 선생님은 딴짓을 열심히 하는 선생님이다. 입실 후 학생들의 자습이 모두 끝날때까지 기다리면서 딴짓을 하면서 기다리고, 학생들의 자습이 끝나면 퇴실한다.

function* students() {
    for(i=1;i<11;i++) {
        console.log(`학생들: ${i}번 문제 푸는중...`)
        yield;
    }
    return
}

function teacher() {
    console.log("선생님: 입실");

    const generator = students();
    let done;

    while (!done) {
        done = generator.next().done;
        if (!done) {
            console.log("선생님: 딴짓")
        }
    };

    console.log("선생님: 퇴실");
}

teacher();

// 출력 결과
선생님: 입실
학생들: 1번 문제 푸는중...
선생님: 딴짓
학생들: 2번 문제 푸는중...
선생님: 딴짓
학생들: 3번 문제 푸는중...
선생님: 딴짓
학생들: 4번 문제 푸는중...
선생님: 딴짓
학생들: 5번 문제 푸는중...
선생님: 딴짓
학생들: 6번 문제 푸는중...
선생님: 딴짓
학생들: 7번 문제 푸는중...
선생님: 딴짓
학생들: 8번 문제 푸는중...
선생님: 딴짓
학생들: 9번 문제 푸는중...
선생님: 딴짓
학생들: 10번 문제 푸는중...
선생님: 딴짓
선생님: 퇴실

상위 프로세스(선생님)는 하위 프로세스(학생들)의 작업 완료 여부를 신경쓴다.
논블로킹 방식이므로 하위 프로세스(학생들)의 작업 완료 여부와 상관 없이 상위 프로세스(선생님)는 다른 작업을 할 수 있다.

비동기 + 논블로킹

비동기+논블로킹 선생님은 아주 바빠서 자신의 시간이 소중하다. 입실 하자마자 자습을 지시한 후 바로 퇴실한다. 학생들의 자습이 끝나면 반장을 통해 보고받는다.

function students(callback) {
    let i = 1;
    const interval = setInterval(() => {
        if (i > 10) {
            callback();
            clearInterval(interval);
        } else {
            console.log(`학생들: ${i}번 문제 푸는중...`);
            i++;
        }
    }, 10);
}

function teacher() {
    console.log("선생님: 입실");
    students(() => console.log("반장: 선생님께 자습이 끝났음을 보고"));
    console.log("선생님: 퇴실");
}

teacher();

// 출력 결과
선생님: 입실
선생님: 퇴실
학생들: 1번 문제 푸는중...
학생들: 2번 문제 푸는중...
학생들: 3번 문제 푸는중...
학생들: 4번 문제 푸는중...
학생들: 5번 문제 푸는중...
학생들: 6번 문제 푸는중...
학생들: 7번 문제 푸는중...
학생들: 8번 문제 푸는중...
학생들: 9번 문제 푸는중...
학생들: 10번 문제 푸는중...
반장: 선생님께 자습이 끝났음을 보고

가장 많이 쓰이는 조합 중 하나이다.
성능과 자원의 효율면에서 가장 우수하다.
상위 프로세스(선생님)는 하위 프로세스(학생들)의 작업 완료 여부를 신경쓰지 않는다.
논블로킹 방식이므로 하위 프로세스(학생들)의 작업 완료 여부와 상관 없이 상위 프로세스(선생님)는 다른 작업을 할 수 있다.

비동기 + 블로킹

상위 프로세스는 하위 프로세스의 작업 완료 여부를 신경쓰지 않는다.
블로킹 방식이므로 하위 프로세스의 작업이 완료되지 않으면 상위 프로세스는 다른 작업을 할 수 없다.

이 방식은 다른 블로그에서 설명이 많이 부족한 편이었는데, 자료마다 의견이 제각각이었다.

참고한 글에서도 적절한 코드가 없었기에 생략했다.

1. 비동기+논블로킹 방식을 사용하는 과정에서 의도치 않게 사용됨

Node.js + MySQL의 조합이 대표적인데, Node.js에서 비동기(async)적으로 DB 작업을 수행하더라도 블로킹 방식으로 작동하는 MySQL 드라이버를 거치게 된다.
별 다른 장점이 없어서 일부러 사용할 필요는 없지만, 비동기+논블로킹 방식을 사용하는 과정에서 하나라도 블로킹 방식을 사용하는 함수가 있다면 의도치 않게 비동기+블로킹 방식으로 작동할 수 있다.

2. 직관적인 코드의 흐름을 유지하면서 작업을 병렬적으로 처리하기 위함

이 개념은 효율적이지 않은 것처럼 보이지만, 다음과 같은 이유에서 등장했다.

동기 & 블록킹 I/O의 경우 직관적이나, 여러 개의 I/O를 동시에 처리할 수 없다.
논블록킹 I/O는 프로세스들의 작업을 컨트롤하는 것이 까다롭다. (대부분 이런 저레벨 프로그램은 C로 짠다. JS나 Python 같은 걸 생각하면 안된다.)
그렇다고 동기 & 블록킹 I/O와 멀티 프로세싱이나 쓰레딩을 결합해서 쓰자니 자원 문제도 있고 프로세스/쓰레드 간 통신이나 동기화가 빡셈

따라서 직관적인 코드의 흐름을 유지하면서 작업을 병렬적으로 처리하기 위해 Linux/UnixS OS의 I/O 다중화 모델 등에서 사용된다.

원문링크

[OS] 동기와 비동기, 블로킹과 논블로킹

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