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Swift Async Await

08 Apr 2022
Swift Async Await feature image

이 글에서는 Swift 5.5에 소개된 Async/Await에 대해 살펴보고자 합니다.

해당 내용은 The Swift Programming Languages(5.5) - Concurrency에 기반하여 작성된 내용입니다.

  • Asynchronous code를 사용하면 프로그램 여러가지 작업을 동시에 수행하는 것을 쉽게 만듭니다.
  • Asynchronous code를 사용하면 코드 복잡도를 줄일 수 있습니다.

1. 기존 Asynchronous 작업 처리 방식

기존의 completion handler 기반의 async 코드를 사용하면 단순한 코드에도 nested closure를 사용해야 하므로 코드 복잡도가 올라갑니다.

listPhotos(inGallery: "Summer Vacation") { photoNames in
    let sortedNames = photoNames.sorted()
    let name = sortedNames[0]
    downloadPhoto(named: name) { photo in
        show(photo)
    }
}

2. Asynchronous Functions의 정의와 호출

asynchronous function(method)이라는 새로운 형태의 함수는 실행 도중에 일시정지가 가능합니다. 기존의 synchronous function은 completion을 수행하거나, 에러를 던지거나, 리턴되지 않는 형태로만 동작합니다. 하지만 asynchronous function은 동작 도중에 멈추었다가 결과가 도착하면 다시 실행이 가능합니다. asynchronous function은 async keyword를 함수 선언부 마지막(리턴 화살표 전 ->, throws를 같이 쓴다면 그 앞에 추가)에 추가하여 사용할 수 있습니다.

func listPhotos(inGallery name: String) async -> [String] {
    let result = // ... some asynchronous networking code ...
    return result
}

asynchronous function 호출시 함수의 실행은 함수가 리턴되기 전까지 진행되지 않습니다. 그리고 asynchronous function 내에서 await keyword를 사용하여 가능한 suspension point(중단 포인트)를 표기할 수 있습니다. asynchronous function 내에서 함수의 실행은 함수 내부에 추가적인 asynchronous function이 존재(await keyword가 있을 때)할 때만 일시정지 됩니다. 모든 suspension point에는 명시적으로 await keyword가 존재해야 합니다.

let photoNames = await listPhotos(inGallery: "Summer Vacation")
let sortedNames = photoNames.sorted()
let name = sortedNames[0]
let photo = await downloadPhoto(named: name)
show(photo)

위 코드 수행 순서는 다음과 같습니다.

  1. 일반적인 코드 수행 호출 순서에 맞춰서 await keyword 전까지 수행됩니다. listPhotos(inGallery:)을 호출하고, 해당 함수가 리턴되기까지 기다립니다.
  2. 코드의 수행이 멈춘 상태에서 프로그램은 다른 concurrent code를 수행합니다.
  3. listPhotos(inGallery:)이 리턴되고나면, 리턴 위치부터 다음 코드를 수행합니다. 여기서는 photoNames에 리턴 값을 할당하는 작업이 진행됩니다.
  4. sortedNames, name이 포함된 라인은 await keyword가 없으므로 일반적인 synchronous code처럼 동작합니다.
  5. 이후에 await이 명시된 downloadPhoto(named:)이 호출되고 listPhotos(inGallery:)와 동일한 방식으로 코드가 수행됩니다.

await이 의미하는 것은 지정된 코드가 실행을 일시중지할 수도 있다는 것을 의미합니다. 그리고 이 코드는 asynchronous function이 리턴되기까지 기다립니다. Swift 내부적으로 이 과정에서 현재 쓰레드의 작업을 일시중지하고, 다른 쓰레드의 작업을 진행하기 때문에 이는 yielding the thread를 의미하기도 합니다. 이러한 이유 때문에 await keyword는 특정 상황에서만 사용이 가능합니다.

  • asynchronous function, method, property body 내부
  • static main() 함수 내부(@main로 명시된 struct, class, enum 안)
  • detached child task 코드 내부

Note: Task.sleep(_:)을 활용하면 asynchronous function를 쉽게 테스트할 수 있습니다.

3. Asynchronous Sequences

기존의 Sequence Protocol을 따르면 사용할 수 있는 for-in 루프처럼 AsyncSequence Protocol을 따를 경우 for-await-in 루프를 사용할 수 있습니다.

import Foundation

let handle = FileHandle.standardInput
for try await line in handle.bytes.lines {
    print(line)
}

for-await-in 루프는 각각의 반복문 수행마다 await이 수행되고, 이는 suspension point가 되기 때문에 각 반복문의 동작은 이전 동작이 완료된 이후에 수행됩니다.

4. Calling Asynchronous Functions in Parallel

여러 개의 독립적인 비동기 작업은 작업의 리턴값을 받는 상수 앞에 async 키워드를 추가(async let 형태)하여 작업이 parallel하게 수행될 수 있도록 합니다. async let 형태로 정의된 상수는 await을 통해 사용할 수 있습니다.

async let firstPhoto = downloadPhoto(named: photoNames[0])
async let secondPhoto = downloadPhoto(named: photoNames[1])
async let thirdPhoto = downloadPhoto(named: photoNames[2])

let photos = await [firstPhoto, secondPhoto, thirdPhoto]
show(photos)

위 코드에서 작업은 photos가 정의된 라인까지 일반적인 형태로 진행됩니다. 이 지점에서 firstPhoto, secondPhoto, thirdPhoto은 await을 만나 코드는 중단되고(다른 비동기 작업을 수행하고), downloadPhoto(named:)은 parallel하게 수행됩니다.

5. Task and Task Groups

A task is a unit of work that can be run asynchronously as part of your program.

모든 비동기 코드는 항상 어떤 Task의 일부분으로서 동작합니다. 예를 들어, 앞서서 나온 async-let은 시스템이 사용자를 위해 Child Task를 생성하고, 이를 수행합니다. Swift는 사용자가 직접 Task Group을 만들고, 그 안에 Child Task를 추가하여 사용할 수 있도록 지원합니다.

모든 Task는 특정 Task Group 안에 포함되고, 하나의 Task Group 안 Task들은 모두 같은 Parent Task를 가지게 됩니다. 또한, Task는 Child Task를 가질 수 있습니다. 이처럼 Task와 Task Group 사이의 관계가 계층구조를 이루는 접근을 Structured Concurrency이라고 부릅니다.

TaskGroup을 만들기 위해서는 withTaskGroup(of:returning:body:) API를 사용합니다.

await withTaskGroup(of: Data.self) { taskGroup in
    let photoNames = await listPhotos(inGallery: "Summer Vacation")
    for name in photoNames {
        taskGroup.addTask { await downloadPhoto(named: name) }
    }
}

Unstructured Concurrency

Swift는 Task Group에 포함되지 않은 Task를 생성하는 것을 지원합니다. 이 경우, Task.init(priority:operation:)와 Task.detached(priority:operation:)을 사용하면 새로운 Task를 top-level Task로 생성할 수 있습니다.

  • Task는 동기 함수에서 비동기 함수를 호출하고자 할 때 사용합니다.
  • Task caller의 priority와 현재 actor의 context를 유지하면서 Task를 생성하고 싶은 경우에는 Task.init(priority:operation:)을 사용합니다.
  • 현재 actor와 별개의 Task를 생성하고자 할 경우 Task.detached(priority:operation:)를 사용합니다.

Task Cancellation

Swift에서 각각의 Task는 동작 과정에서 적절한 시점에 스스로가 취소되었는지를 확인하는 작업을 수행합니다. 이 때, Task는 error를 throwing하거나 빈 collection 혹은 nil을 리턴하거나, 부분적으로 완료된 task를 리턴합니다. Task는 Task.checkCancellation()나 Task.isCancelled를 통해 취소 여부를 확인할 수 있습니다.

참고자료

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