C#

C# BCL(Base Class Library) - 스레딩2

devrabbit22 2026. 3. 15. 03:37

비동기 호출

비동기 호출(asynchronous call)이란 '동기 호출(synchronous call)'과 대비되는 개념이다.

일반적으로 비동기 호출은 입출력(I/O) 장치와 연계되어 있다. 

동기 방식의 파일 읽기

//Hosts 파일을 읽어서 내용을 출력한다.
using (FileStream fs = new FileStream(@"C:\windows\system32\drivers\etc\HOSTS", FileMode.Open, FileAccess.Read, FileShare.ReadWrite))
{
    byte[] buf = new byte[fs.Length];
    fs.Read(buf, 0, buf.Length);

    string txt = Encoding.UTF8.GetString(buf);
    Console.WriteLine(txt);
}

출력 결과

동기 호출 (Blocking Call)

FileStream.Read 메서드는 동기 호출(Synchronous Call)에 해당한다.

동기 호출이란 메서드가 작업을 완료할 때까지 호출한 스레드에게 제어를 반환하지 않는 방식을 의미한다.

예를 들어 FileStream.Read는 디스크에서 데이터를 읽는 I/O 작업을 수행한다.
이때 메서드를 호출한 스레드는 파일 읽기 작업이 모두 끝날 때까지 대기해야 한다.

따라서 작업이 완료되기 전까지는 다음 코드가 실행되지 않는다.

디스크 I/O가 완료될 때까지 스레드의 실행이 일시적으로 중단된다.

이러한 이유로 동기 호출은 블로킹 호출(Blocking Call) 이라고도 한다.

왜 Blocking이라고 부르는가

동기 호출에서는

  • 메서드 호출
  • 작업 수행
  • 작업 완료 후 반환

의 순서로 진행되며, 작업이 끝날 때까지 스레드의 실행이 차단(block) 된다.

더보기

메서드 호출
↓
I/O 작업 진행
↓
스레드 대기 (block)
↓
작업 완료
↓
제어 반환

스레드가 작업이 끝날 때까지 기다려야 하기 때문에 Blocking Call이라고 부른다.

동기 호출 - 파일 읽기

동기 호출의 단점을 해결하는 방법

동기 호출은 작업이 완료될 때까지 스레드가 대기 상태에 머무르게 된다.

예를 들어 파일 읽기와 같은 I/O 작업이 오래 걸리는 경우,
해당 작업이 끝날 때까지 스레드는 아무 일도 하지 못하고 기다리게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 비동기 호출(Asynchronous Call) 방식이 사용된다.

비동기 호출은 작업을 시작한 후 작업이 완료될 때까지 기다리지 않고 즉시 제어를 반환한다.
따라서 호출한 스레드는 다른 작업을 계속 수행할 수 있다. 

FileStream의 비동기 메서드

FileStream은 비동기 호출을 지원하기 위해 다음과 같은 메서드 쌍을 제공한다.

동기 메서드 비동기 메서드
Read BeginRead / EndRead
Write BeginWrite / EndWrite

이 방식은 Begin / End 패턴(Asynchronous Programming Model, APM) 이라고 불린다.

동작 방식

비동기 호출은 다음과 같은 흐름으로 동작한다.

더보기

BeginRead() 호출
↓
파일 읽기 작업 시작
↓
즉시 제어 반환
↓
다른 작업 수행 가능
↓
읽기 작업 완료
↓
EndRead() 호출하여 결과 확인

즉, 작업은 백그라운드에서 진행되고, 필요할 때 EndRead()를 호출하여 작업 결과를 얻는다.

비동기 방식의 파일 읽기 코드

using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using System.Net.NetworkInformation;
using System.Reflection.Metadata;
using System.Text;
namespace BCL_Study
{
    internal class StrStudy
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            FileStream fs = new FileStream(@"C:\windows\system32\drivers\etc\HOSTS", FileMode.Open, FileAccess.Read, FileShare.ReadWrite, 4096, true);

            FileState state = new FileState();
            state.Buffer = new byte[fs.Length];
            state.Files = fs;

            fs.BeginRead(state.Buffer, 0, state.Buffer.Length, readCompleted, state);

            //BeginRead 비동기 메서드 호출은 스레드로 곧바로 제어를 반환하기 때문에
            //이곳에서 자유롭게 다른 연산을 동시에 진행할 수 있다.
            Console.ReadLine();
            fs.Close();
        }
        //읽기 작업이 완료되면 메서드가 호출된다.
        static void readCompleted(IAsyncResult ar)
        {
            FileState state = ar.AsyncState as FileState;
            state.Files.EndRead(ar);

            string txt  = Encoding.UTF8.GetString(state.Buffer);
            Console.WriteLine(txt);
        }
    }
    class FileState
    {
        public byte[] Buffer;
        public FileStream Files;
    }
}

BeginRead의 동작 방식

BeginRead 메서드는 비동기 방식으로 파일 읽기 작업을 시작한다.

동기 메서드인 Read와 달리, BeginRead는 디스크에서 파일 데이터를 모두 읽어올 때까지 기다리지 않는다.
읽기 작업을 시작한 뒤 즉시 호출한 스레드에 제어를 반환한다.

따라서 BeginRead를 호출한 스레드는 읽기 작업이 진행되는 동안에도 다른 코드를 계속 실행할 수 있다.

 

읽기 작업 완료 후 동작

파일 읽기 작업이 완료되면 CLR은 ThreadPool에서 유휴 스레드를 하나 가져와
해당 스레드에서 콜백 메서드(예: readCompleted)를 실행한다.

즉, 작업 완료 후의 처리는 ThreadPool 스레드가 담당하게 된다.

중요한 특징

이 방식의 중요한 특징은 다음과 같다.

  • BeginRead를 호출한 원래 스레드는 전혀 차단되지 않는다.
  • 파일 읽기 작업은 백그라운드에서 진행된다.
  • 작업이 완료되면 ThreadPool 스레드가 콜백을 실행한다.

비동기 호출 - 파일 읽기

비동기 호출은 I/O 연산이 끝날 때까지 차단되지 않으므로 논블로킹 호출(non-blocking-call)이라고도 한다.

 

비동기 호출이 스레드를 직접 사용한 방식이나 ThreadPool, QueueUserWorkItem을 사용한 것과 어떤 차이가 있는가?

using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using System.Net.NetworkInformation;
using System.Reflection.Metadata;
using System.Text;
namespace BCL_Study
{
    internal class StrStudy
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ThreadPool.QueueUserWorkItem(readCompleted);

            //QueueUserWorkItem 메서드 호출은 곧바로 제어를 반환하기 때문에 
            //이곳에서 자유롭게 다른 연산을 동시에 진행할 수 있다.

            Console.ReadLine();
        }
        //읽기 작업을 스레드 풀에 대행한다.
        static void readCompleted(object state)
        {
            using (FileStream fs = new FileStream(@"C:\windows\system32\drivers\etc\HOSTS", FileMode.Open, FileAccess.Read, FileShare.ReadWrite))
            {
                byte[] buf = new byte[fs.Length];
                fs.Read(buf, 0, buf.Length);

                string txt = Encoding.UTF8.GetString(buf);
                Console.WriteLine(txt);
            }
        }
    }
    class FileState
    {
        public byte[] Buffer;
        public FileStream Files;
    }
}

얼핏 보면 효과는 동일하지만, 읽기 작업을 동기 호출로 ThreadPool의 스레드에 대행했으므로 QueueUserWorkItem 메서드를 호출한 측의 스레드는 다른 작업을 할 수 있다. 하지만 이를 자세히 보면 분명한 차이가 있다.

동기 호출을 사용한 스레드 풀

최초의 스레드가 자유롭게 된 상황은 같지만, 스레드 풀로부터 빌려온 스레드의 사용 시간은 길어졌다.

결론

  • 일반적인 목적의 응용 프로그램에서 QueueUserWorkItem과 비교했을 때 비동기 호출로 얻는 이득은 크지 않다.
  • 이 정도의 차이가 의미 있는 경우는 동시 접속자 수가 많은 게임 서버나 웹 서버 등이 있다.

System.Delegate의 비동기 호출

일반적으로 비동기 호출은 입출력 장치와의 속도 차이에서 오는 비효율적인 스레드 사용 문제를 극복하는데 사용된다.

.NET에서는 특이하게 입출력 장치뿐만 아니라 일반 메서드에 대해서도 비동기 호출을 할 수 있는 수단을 제공하는데, Delegate가 이 역할을 한다. 즉, 메서드를 델리게이트로 연결해두면 이미 비동기 호출을 위한 기반이 마련된 것이다.

누적합을 구하는 메서드에 대한 델리게이트
단일 스레드에서 수행되는 메서드 호출

델리게이트의 비동기 호출을 위한 메서드(BeginInvoke/EndInvoke)를 사용하면 calc 인스턴스에 할당된 Calc.Cumsum 메서드의 수행을 ThreadPool의 스레드에서 실행할 수 있다.

using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using System.Net.NetworkInformation;
using System.Reflection.Metadata;
using System.Text;
namespace BCL_Study
{
    internal class StrStudy
    {
        public delegate long CalcMethod(int start, int end);

        static void Main(string[] args)
        {
            CalcMethod calc = new CalcMethod(Calc.Cumsum);
            //Delegate 타입의 BeginInvoke 메서드를 호출한다.
            //이 때문에 Calc.Cumsum 메서드는 ThreadPool의 스레드에서 실행된다.
            IAsyncResult ar = calc.BeginInvoke(1, 100, null, null);

            //BeginInvoke로 반환받은 IAsyncResult 타입의 AsyncWaitHandle 속성은 EventWaitHandle 타입이다.
            //AsyncWaitHandle 객체는 스레드 풀에서 실행된 Calc.Cumsum의 동작이 완료됐을 때 Signal 상태로 바뀐다.
            //따라서 아래와 같이 호출하면 Calc.Cumsum 메서드 수행이 완료될 때까지 현재 스레드를 대기시킨다.
            ar.AsyncWaitHandle.WaitOne();

            //Calc.Cumsum의 반환값을 얻기 위해 EndInvoke 메서드를 호출한다.
            //반환값이 없어도 EndInvoke는 반드시 호출하는 것을 권장한다.
            long result = calc.EndInvoke(ar);

            Console.WriteLine(result);
        }
    }
    public class Calc
    {
        public static long Cumsum(int start, int end)
        {
            long sum = 0;
            for(int i = start; i<= end; i++)
            {
                sum += i;
            }
            return sum;
        }
    }
}

ThreadPool의 스레드에서 실행되는 델리게이트

BeginInvoke와 EndInvoke의 사용이 복잡해 보일 수 있다. 하지만 동일한 기능을 Thread 타입이나 EventWaitHandle과 ThreadPool의 조합으로 구현했던 것과 비교하면 소스코드가 더 간결하다.

 

Delegate를 이용한 비동기 코드는 FileStream.BeginRead를 사용했던 방식도 지원한다.

방법도 매우 유사한데 BeginInvoke의 3번째 인자에 콜백 메서드를 지정해 주면 된다.

using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using System.Net.NetworkInformation;
using System.Reflection.Metadata;
using System.Text;
namespace BCL_Study
{
    internal class StrStudy
    {
        public delegate long CalcMethod(int start, int end);

        static void Main(string[] args)
        {
            CalcMethod calc = new CalcMethod(Calc.Cumsum);

            calc.BeginInvoke(1, 100, calcCompleted, calc);

            Console.ReadLine();
        }

        static void calcCompleted(IAsyncResult ar)
        {
            CalcMethod calc = ar.AsyncState as CalcMethod;
            long result = calc.EndInvoke(ar);

            Console.WriteLine(result);
        }
    }
    public class Calc
    {
        public static long Cumsum(int start, int end)
        {
            long sum = 0;
            for(int i = start; i<= end; i++)
            {
                sum += i;
            }
            return sum;
        }
    }
}

콜백 메서드를 지정한 Delegate의 비동기 호출

Begin / End 메서드 패턴의 의미

.NET BCL에서 제공되는 클래스 중
BeginXXX / EndXXX 메서드가 쌍으로 존재한다면
이는 비동기 호출 패턴(APM: Asynchronous Programming Model) 을 의미한다.

이 패턴의 특징은 다음과 같다.

  1. BeginXXX
    • 비동기 작업을 시작한다.
    • 즉시 IAsyncResult를 반환한다.
    • 호출한 스레드는 차단되지 않는다.
  2. EndXXX
    • 비동기 작업이 끝난 후 결과를 가져온다.
    • 필요한 경우 작업이 끝날 때까지 대기한다.

Delegate와의 관계

이 패턴은 Delegate 비동기 호출 방식과 구조가 동일하다.

Delegate에서도 BeginInvoke, EndInvoke 형태로 제공되며 동작 방식이 같다.

BeginInvoke → 비동기 실행
EndInvoke → 결과 반환
 

그래서 많은 .NET API들이 Delegate 비동기 호출 패턴을 기반으로 설계되었다.

Reference

시작하세요! C# 12 프로그래밍 기본 문법부터 실전 예제까지

이미지 출처

 

[C#] 비동기 호출

비동기 호출 비동기 호출(asynchronous call)이란 "동기 호출(synchronous call)"과 대비되는 개념이다. 일반적으로 비동기 호출은 입출력(I/O) 장치와 연계되어 설명될때가 많다. 예를 들어, 파일의 데이터

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