Go 동시성: 고루틴, 채널, select, context, sync

Go 언어 전반(타입, 에러, 도구, GC)은 Go 언어에, CSP·액터와 런타임별 스케줄링 비교는 동시성·병렬·비동기·논블로킹과 동시성 모델에 있다. Go의 동시성 철학은 한 줄로 「메모리를 공유해서 통신하지 말고, 통신해서 메모리를 공유하라」 다.

고루틴과 스케줄러

고루틴은 Go 런타임이 관리하는 사용자 수준 실행 단위다. go f(x)로 시작하고, 런타임이 수많은 고루틴을 적은 수의 OS 스레드 위에 다중화한다(M:N).

G(고루틴)·M(OS 스레드)·P(실행 문맥과 로컬 실행 큐) 구조, 로컬·전역 큐와 작업 훔치기, 10ms 강제 선점은 동시성 모델의 「Go와 Tokio」에 있다. 그 밖의 동작은 다음과 같다.

• P의 수는 GOMAXPROCS다. 기본값은 사용 가능한 CPU 수이고, Go 1.25부터는 컨테이너의 cgroup CPU 제한도 반영한다.
• 시스템 콜 핸드오프: 고루틴이 블로킹 시스템 콜에 들어가면 그 M은 P를 내려놓는다. 런타임은 P를 다른 M에 넘겨 나머지 고루틴을 계속 돌린다. 네트워크 I/O는 시스템 콜 대신 넷폴러(epoll·kqueue)가 처리해 M을 묶지 않는다.
• 스피닝 스레드: 할 일을 찾는 M은 바로 잠들지 않고 잠깐 돌며(spinning) 큐를 살핀다. CPU를 조금 쓰는 대신 OS 스레드를 재우고 깨우는 비용을 줄인다. 동시에 스피닝하는 M은 GOMAXPROCS개를 넘지 않는다.
• 찾는 순서: 로컬 큐 → 공정성을 위해 가끔 전역 큐 → 넷폴러 → 다른 P에서 절반 훔치기.
• 전환 지점: 채널 송수신, 뮤텍스 대기, I/O, time.Sleep, runtime.Gosched(), 그리고 오래 도는 고루틴에 대한 비동기 선점.
• main이 끝나면 다른 고루틴이 남아 있어도 프로그램이 종료된다. 끝나지 않고 막혀 있는 고루틴은 고루틴 누수다. 시작할 때 종료 조건과 종료를 기다릴 방법을 먼저 정한다.

채널

채널은 고루틴 사이에서 타입이 정해진 값을 주고받는 통로이자 동기화 장치다. 내부는 원형 버퍼, 송신·수신 대기 고루틴 큐, 뮤텍스를 가진 런타임 구조체(hchan)다.

버퍼 없는 채널은 송신과 수신이 만나는 순간(랑데부)에 값이 넘어가므로 「상대가 받았다」는 동기화를 보장한다. 버퍼 있는 채널은 생산자와 소비자 속도 차이를 흡수하고, 동시 실행 수를 제한하는 세마포어(sem := make(chan struct{}, 10))로도 쓴다.

results := make(chan int)
go func() {
    defer close(results)          // 보내는 쪽이 닫는다
    for _, x := range xs { results <- work(x) }
}()
for r := range results { fmt.Println(r) }   // 닫힐 때까지 받는다

• 닫는 것은 보내는 쪽의 책임이다. 받는 쪽이 닫으면 아직 보내는 고루틴이 panic한다. 송신자가 여럿이면 sync.WaitGroup으로 모두 끝난 뒤 한 곳에서 닫는다.
• close는 「더 보낼 값이 없다」는 신호를 모든 수신자에게 한 번에 방송한다. 그래서 done 채널을 닫아 여러 고루틴을 멈추는 데 쓴다.
• 방향 타입(chan<- T 송신 전용, <-chan T 수신 전용)을 함수 매개변수에 써서 역할을 컴파일러로 강제한다.
• 공유 상태 하나를 보호하는 데는 채널보다 뮤텍스가 단순하다. 채널은 소유권 이전, 작업 분배, 완료 신호에 쓴다.

select

select는 여러 채널 연산 중 진행할 수 있는 것 하나를 골라 실행한다. switch처럼 생겼지만 각 case가 채널 송수신이다.

• 준비된 case가 없으면 하나가 준비될 때까지 막힌다.
• 여러 개가 동시에 준비되면 무작위로 하나를 고른다. 위에 쓴 case가 우선하지 않으므로 특정 채널이 굶지 않는다.
• default가 있으면 막히지 않고 바로 default를 실행한다(논블로킹 송수신).
• nil 채널의 case는 영원히 준비되지 않는다. 다 읽은 채널 변수를 nil로 바꿔 그 case를 끄는 관용구가 여기서 나온다.
• 빈 select {}는 영원히 막힌다.

select {
case msg := <-in:
    handle(msg)
case out <- next:              // 송신도 case가 된다
    next = produce()
case <-ctx.Done():             // 취소
    return ctx.Err()
case <-time.After(2 * time.Second):   // 타임아웃
    return errTimeout
default:                       // 아무것도 준비 안 됐으면 바로 지나간다
}

런타임은 select에 들어갈 때 모든 채널을 정해진 순서로 잠그고 준비된 것을 찾는다. 없으면 현재 고루틴을 모든 채널의 대기 큐에 등록하고 잠들었다가, 하나가 깨우면 나머지 큐에서 자신을 지운다.

context

context.Context는 요청 범위의 취소 신호, 마감 시간, 요청 범위 값을 호출 체인과 고루틴 트리로 전파하는 표준 인터페이스다. HTTP 요청이 취소되거나 시간이 지나면, 그 요청을 위해 시작한 DB 쿼리·외부 호출·하위 고루틴을 모두 멈추게 한다.

func (s *Service) Get(ctx context.Context, id string) (*User, error) {
    ctx, cancel := context.WithTimeout(ctx, 500*time.Millisecond)
    defer cancel()                               // 자원 해제를 위해 항상 부른다
    return s.repo.Find(ctx, id)                  // 하위 호출에 그대로 넘긴다
}

• 컨텍스트는 트리다. 부모가 취소되면 모든 자식이 취소되고, 자식 취소는 부모에 영향이 없다.
• 취소는 협력적이다. 받는 쪽이 ctx.Done() 채널을 select로 보거나, ctx.Err()(Canceled·DeadlineExceeded)를 확인해 스스로 멈춘다. 표준 라이브러리의 net/http, database/sql은 이미 지원한다.
• 규칙: 함수의 첫 매개변수로 ctx라는 이름으로 받는다. 구조체 필드에 저장하지 않는다. nil을 넘기지 말고 모르면 context.TODO()를 쓴다. WithValue는 요청 ID·인증 정보처럼 요청 범위 메타데이터에만 쓰고 선택적 매개변수 대신 쓰지 않으며, 키는 충돌을 막으려 비공개 타입으로 만든다.

sync 패키지와 atomic

var (
    mu    sync.Mutex
    count = map[string]int{}
    wg    sync.WaitGroup
)
for _, w := range words {
    wg.Go(func() {             // Go 1.22부터 반복 변수 w는 반복마다 새 변수라 그대로 캡처해도 된다
        mu.Lock()
        defer mu.Unlock()
        count[w]++
    })
}
wg.Wait()

• Mutex·WaitGroup을 담은 구조체는 복사하면 안 된다(복사본은 별개의 락이다). 포인터로 넘기고 go vet의 copylocks 검사로 잡는다.
• Go의 기본 map은 동시 쓰기에 안전하지 않아, 런타임이 감지하면 concurrent map writes 치명적 오류로 프로세스를 죽인다.
• 레이스 디텍터: go test -race, go run -race가 실행 중 데이터 경쟁을 찾아 보고한다. 테스트와 CI에서 켠다.

정리

• 고루틴은 작은 스택으로 시작하는 런타임 스케줄링 단위이고, 블로킹 시스템 콜에서는 P를 다른 스레드로 넘긴다.
• 버퍼 없는 채널은 송수신이 만나야 진행되는 동기화, 버퍼 있는 채널은 속도 차 흡수와 세마포어다. 닫힌 채널에 보내면 panic, 받으면 제로값이다.
• select는 준비된 경우 중 무작위로 하나를 고르고, default로 논블로킹, time.After·ctx.Done()으로 타임아웃과 취소를 처리한다.
• context는 취소와 마감 시간을 트리로 전파한다. 첫 매개변수로 넘기고 cancel은 defer한다.
• 공유 상태는 Mutex, 완료 대기는 WaitGroup, 한 번 초기화는 Once. 레이스 디텍터를 켠다.

관련 노트: Go 언어, 동시성 모델, 구조적 동시성, 프로세스 동기화, Java 동시성