멀티 스레드 환경에서 각 스레드별로 하나의 공통 데이터에 접근하여 처리 될때 스레드 마다 원자성을 보장하면서
데이터를 다뤄야 하는 상황이 발생할 수 있습니다.

이때 제공 되는것이 Thread Local Storage(TLS) 변수라는 것이 있습니다.

쉽게 말해 tls변수는 스레드별 고유한 데이터를 저장(?)할 수 있는 공간이라고 이해 하면 됩니다. 또한 이 tls변수는(이하 거론되는 ThreadLocal AsyncLocal 동일) 자체적으로 데이터 원자성이 보장되기에 lock없이 접근하여 사용이 가능합니다.

닷넷 C#에서는 이것을 System.ThreadStaticAttribute 어트리뷰트 클래스로 제공 하고 있으며
System.Threading.ThreadLocal 그리고 System.Threading.AsyncLocal 클래스로 제공하고 있고, C++에서는 __declspec(thread)로 사용 가능합니다.

System.Threading.ThreadLocal 같은 경우 System.ThreadStaticAttribute 보다 변수 초기 방법을 제공하고 있어 [ThreadStatic] 어트리뷰트 보다 좀 더 최신 기능을 제공합니다.

이번 포스트는 System.Threading.ThreadLocal 와 System.Threading.AsyncLocal 가 서로 어떤 부분에 차이점이 있는지에 대한 내용 입니다.

자 그럼 어떻게 다른지 살펴보겠습니다.

ThreadLocal AsyncLocal 차이점

위 tls역할을 하는 두 클래스의 큰 차이점은 스레드풀을 사용하는 스레드 환경에서 차이점이 있습니다.

우선 System.Threading.ThreadLocal 은 해당 스레드가 스레드풀에 반환되어도 해당 데이터는 항상 유지 되어 집니다.

private static ThreadLocal<int> _tl = new ThreadLocal<int>();

private static async Task WorkAsync(int i)
{
  if(_tl.Value == 0)
  {
    _tl.Value = i;
    Console.WriteLine($"[새로운 값] Thread Id : {Environment.CurrentManagedThreadId} - tl Value : {_tl.Value}");
  }
  else
  {
    Console.WriteLine($"[기존 값] Thread Id : {Environment.CurrentManagedThreadId} - tl Value : {_tl.Value}");
  }
  Console.WriteLine("-----------------------------------------");
}

위 처럼 System.Threading.ThreadLocal 을 사용하는 메서드를 스레드로 호출해 봅니다. 그리고 차이점을 확실히 보기 위해 스레드풀의 스레드 개수 제한을 4개로 설정해 보았습니다.

// ThreadPool의 개수를 4개로 임의 제한
ThreadPool.SetMinThreads(4, 4);
ThreadPool.SetMaxThreads(4, 4);

for (int i = 1; i < 11; i++)
{
  await Task.Run(() => WorkAsync(i));
}

스레드를 사용하여 WorkAsync() 메서드를 10번 호출하였고 파라메터로 tls값을 동시에 넘겨 주었습니다.

결과는 어떻게 나올까요?

위 처럼 처음 스레드가 사용되어서 tls값이 설정 되고 해당 스레드가 반환된 이후 다시 같은 스레드가 사용 되었을때
tls값이 처음 설정 된 값으로 유지 되고 있는 걸 확인 할 수 있습니다.

반면,

AsyncLocal 는 어떻게 처리 되는지 위 코드에서 System.Threading.ThreadLocal 부분만 바꿔서 실행 시켜 보겠습니다.

결과를 보니 위 결과와는 다르게 사용된 스레드가 스레드풀에 반환될때는 값이 초기화가 되는 걸 볼 수 있습니다.

그럼 ThreadLocal 와 AsyncLocal 의 차이점을 알았으니 어떤 상황에서 제대로 사용해야 하는지 보겠습니다.

데이터 복사

위 예제에서 ThreadLocal 은 사용된 스레드가 스레드풀에 반환되도 값이 항상 유지 되는 것을 확인 했습니다.
이 뜻은 ThreadLocal 에 값이 설정된 스레드 내에서 await으로 어떤 동기 작업을 대기시킨 이후 이어서 작업을 할때
새로운 스레드로 처리가 된다면 ThreadLocal 값은 엉뚱한 값으로 처리될 문제가 있습니다.

이 상황은 Task 스레드 안에서 await 대기 사용시 또는 SynchronizationContext가 없는 콘솔 환경 같은 곳에서 해당 됩니다.
SynchronizationContext가 있는 UI 환경 (Winform, WPF 등에서 메인 스레드(UI 스레드) 에서 호출된 비동기 메서드 await 이후 구문은 메인 스레드로 처리 됩니다.)

private static async Task WorkAsync(int i)
{
  if(_tl.Value == 0)
  {
    _tl.Value = i;
    Console.WriteLine($"[새로운 값] Thread Id : {Environment.CurrentManagedThreadId} - tl Value : {_tl.Value}");
  }
  else
  {
    Console.WriteLine($"[기존 값] Thread Id : {Environment.CurrentManagedThreadId} - tl Value : {_tl.Value}");
  }
  
  await Task.Delay(1000);
  
  Console.WriteLine($"[await 이후 값] Thread Id : {Environment.CurrentManagedThreadId} - tl Value : {_tl.Value}");
  Console.WriteLine("-----------------------------------------");
}

위 코드에 await Task.Delay(1000); 구문을 추가해 또 다른 작업을 대기 시킨 이후 계속해서 로직이 처리 되는 것으로 간주한 후 결과를 보겠습니다.

처음 빨간색 표시의 데이터는 await이후 같은 스레드로 처리가 되어 동일한 값으로 표시 되었지만
분홍색 표시의 데이터는 await이후 처음 사용되는 스레드로 처리되어 초기값인 0으로 표시 되고 있습니다.
파란색 표시는 await이후 스레드는 이전에 사용 되었던 5번 스레드가 다시 재 사용 되어 기존 값 2로 표시 되고 있습니다.

이 처럼 중간 비동기 작업 이후 연속적인 참조 로직 처리가 있는 경우 기대 값과 다른 결과가 나올 수 있습니다.

이런 상황에서 사용할 수 있는 것이 AsyncLocal 입니다.

바로 코드로 확인해 보겠습니다.

private static AsyncLocal<int> _al = new AsyncLocal<int>();

private static async Task WorkAsync(int i)
{
  if(_al.Value == 0)
  {
    _al.Value = i;
    Console.WriteLine($"[새로운 값] Thread Id : {Environment.CurrentManagedThreadId} - al Value : {_al.Value}");
  }
  else
  {
    Console.WriteLine($"[기존 값] Thread Id : {Environment.CurrentManagedThreadId} - al Value : {_al.Value}");
  }
  
  await Task.Delay(1000);
  
  Console.WriteLine($"[await 이후 값] Thread Id : {Environment.CurrentManagedThreadId} - al Value : {_al.Value}");
  Console.WriteLine("-----------------------------------------");
}

결과는 위와 같이 await이후 다른 스레드가 사용 되어도 이전 스레드에서 사용 되었던 값이 그대로 복사되어 동일하게 표시 되고 있습니다.

의도치 않은 데이터 복사 방지

이런 동작은 System.Runtime.Remoting.Messaging.CallContext 의 LogicalData와 같습니다.
스레드간 데이터 복사는 의도치 않은 오버헤드를 일으킬 수 있습니다. 만약 AsyncLocal 사용에서 스레드풀에서 새로 사용 되는 스레드간 데이터 복사를 막아야 하는 경우라면

System.Runtime.Remoting.Messaging.CallContext 스레드간 데이터 이관 처리를 막는 것 처럼

System.Threading.ExecutionContext 클래스의 SuppressFlow()와 RestoreFlow()의 정적 메서드를 사용하면 됩니다.

ExecutionContext.SuppressFlow();
... [스레드 작업] ...
ExecutionContext.RestoreFlow();

위 처럼 스레드간 데이터 복사시 오버헤드를 방지 할 수 있습니다.