병렬처리를 이용한 이미지 리사이즈 개선

병렬처리를 이용한 이미지 리사이즈 개선

원본 이미지 사용

  • 현재는 사용자의 원본 이미지를 그대로 S3에 업로드해서 사용해왔다

  • 그렇다보니 네트워크 / 디바이스 성능에 따라 페이지 렌더링 되면서 이미지가 늦게 로드 되는 경우가 많았다

  • 그리고 아이폰의 사진은 고화질이라 3MB 이상인 경우가 많았다

  • 원본 이미지를 그대로 사용하기엔 컨텐츠가 늦게 로드 되다 보니 앱에 대한 퀄리티로 이어졌다

  • 이미지 로드 개선은 다른 방법으로 개선할 수도 있다

  • 스켈레톤 이미지나 프론트에서 자체 캐시를 사용할수도 있었지만 지금 당장 프론트쪽에 업무를 추가할순 없었다..

이미지 업로드 개선이 필요하다!

  • 현실적으로 지금 당장 빠르게 해결할 방법은 백엔드쪽에서 원본 이미지를 경량화하는 하는수 밖에 없다..

  • 단, 페이지마다 사용하는 이미지 사이즈가 다르기 때문에 4가지 유형으로 리사이즈해서 프론트에서 적절한 유형의 리사이즈 이미지를 사용하도록 한다 (SMALL, MEDIUM, LARGE, XLARGE)

  • 추가적으로 이미지 업로드 기능이 원본 이미지 경량화 로직으로 인해 서비스 사용성에 영향이 있으면 안된다

이미지 리사이즈 플로우

  • 기존에 사용하던 이미지 업로드 API는 그대로 유지하되 이미지가 업로드 되면 메시지큐에 리사이즈 요청 메시지를 전송한다

  • 컨슈머는 업로드된 원본 이미지를 확인하고 4가지 유형으로 리사이즈를 수행한다

  • 프론트에서는 규칙에 따라 리사이즈된 이미지를 사용하게 된다

이미지 리사이즈 컨슈머 구현 로직

1. 사이즈별 이미지 업로드

  • 4 가지 유형으로 리사이즈 하여 S3에 업로드 한다

  • 각각의 리사이즈된 이미지는 HashMap에 저장하여 추후에 데이터베이스에 저장할 때 사용된다

2. 리사이즈 이미지 업로드 내역 저장

  • 이미지 업로드가 완료되면 S3에 저장한 이미지 경로를 사이즈별로 취합하여 한번에 데이터베이스에 저장한다

🤨 성능을 좀 더 개선할 수 없을까?

  • 기존 로직은 사이즈 별로 루프문을 순회하면서 순차적으로 원본 이미지를 리사이즈하며 업로드했다

  • 사이즈 별로 업로드 하는 로직은 개별 쓰레드로 독립적으로 수행해도 된다

  • 사이즈 별로 업로드 하는 로직은 병렬로 수행하고 추후 데이터베이스에 저장할 데이터만 취합하여 저장하면 되겠다

그럼 수행시간을 측정해보자

객관적인 데이터를 측정하기 위해 이미지 업로드 로직을 2초 정도 시간을 소요하도록 로직을 수정하였다

stream 사용시 (Total 소요시간 : 8초)

Image Resize upload start!!! time : 2022-12-18T20:55:21
Image Resize upload end!!! time : 2022-12-18T20:55:29

parallelStream 사용시 (Total 소요시간 : 2초)

Image Resize upload start!!! time : 2022-12-18T21:31:54
Image Resize upload end!!! time : 2022-12-18T21:31:56

🤯 병렬처리시 주의해야 할 부분은?

병렬처리가 항상 정답은 아니다!!

  • 병렬처리는 목록을 멀티 쓰레드로 병렬처리 하므로 성능적으로 무조건 유용하다고 생각할 수 있다

  • 하지만 이는 잘못된 생각이다

  • 병렬처리는 잘못 사용할 경우 오히려 독이 될수 있다

  • 예를 들어, 병렬처리 하는 로직에서 공유 데이터를 가공하는 경우가 있으면 이는 오히려 성능상 더 느려지는 효과가 나타날 수 있다.

  • 쓰레드간 작업한 데이터를 공유 데이터에 병합하면서 동기화해주는 작업이 생각보다 많은 부하를 발생하게 된다

  • 그리고 또한 단순하게 parallelStream을 사용하게 되면 애플리케이션의 전체적인 성능을 떨어뜨릴수 있게 된다

  • 왜냐하면 자바 애플리케이션은 멀티 쓰레드로 동작하기 때문에 일정량의 쓰레드를 할당하며 사용자 요청을 병렬로 처리한다.

  • 그래서 parallelStream을 사용하게 되면 애플리케이션에서 할당해 놓은 쓰레드를 임의로 끌어쓰기 때문에 실제로 사용자 요청에 대한 처리를 수행할 쓰레드가 부족할 수 있다

parallelStream 을 사용할때는 쓰레드풀을 지정하라!

  • parallelStream을 사용하게 되면 가용 가능한 쓰레드를 임의로 사용하기 때문에 병렬처리에 사용할 쓰레드 갯수는 지정해서 수행하는게 효율적이다

  • ForkJoinPool을 사용하여 가용할 쓰레드 갯수를 제한할 수 있다.

  • 현재는 이미지 리사이즈 유형만큼만 병렬처리하기 때문에 리사이즈 컬렉션 갯수만큼 쓰레드풀을 지정하였다

커스텀 쓰레드 풀을 지정하면 되지 않을까?

  • parallelStream은 기본적으로 글로벌 FolkJoinPool 쓰레드를 사용한다

For applications that require separate or custom pools, a ForkJoinPool may be constructed with a given target parallelism level; by default, equal to the number of available processors. 출처 : https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/concurrent/ForkJoinPool.html

  • 그렇기 때문에 커스텀 쓰레드풀을 생성해서 수행해도 동작하지 않는다

  • 그래도 눈으로 보는게 좋으니 실제로 확인해보자!

  • 우선 커스텀 쓰레드풀을 생성한다

@Configuration
public class ResizeThreadPoolConfigure {
	@Bean(name = "testThreadPoolTaskExecutor")
	public Executor resizeThreadPoolTaskExecutor() {
		ThreadPoolTaskExecutor taskExecutor = new ThreadPoolTaskExecutor();
		taskExecutor.setCorePoolSize(3);
		taskExecutor.setMaxPoolSize(20);
		taskExecutor.setQueueCapacity(15);
		taskExecutor.setThreadNamePrefix("CUSTOM_RESIZE_THREAD-");
		taskExecutor.initialize();
		return taskExecutor;
	}
}

  • 그럼 커스텀으로 생성한 쓰레드풀로 병렬스트림을 수행해보자

  • 1부터 4까지 병렬 스트림으로 요소당 1초 인터벌을 두었다


@Component
public class TestThread {
	@Autowired
	@Qualifier("testThreadPoolTaskExecutor")
	Executor executor;

	public void test() {
		executor.execute(() -> IntStream.rangeClosed(1, 4)
			.parallel()
			.peek(i -> {
				try {
					TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
				} catch (InterruptedException e) {
					throw new RuntimeException(e);
				}
			}).forEach(i -> log.info("ParallelStream() -> {}", i)));
	}
}

  • 결과를 확인해보자

  • 커스텀 쓰레드풀로 실행된건 하나 뿐이었고 나머지는 commonPool의 ForkJoinPool 쓰레드를 사용한것을 확인할 수 있다

그럼 ForkJoinPool을 어디에 선언해야 하는가?

  • ForkJoinPool을 지역변수로 설정할 수도 있고 static으로 설정할 수도 있다

public void test() throws ExecutionException, InterruptedException {
	ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool(2);
	forkJoinPool.submit(() -> IntStream.rangeClosed(1, 4)
		.parallel()
		.peek(i -> {
			try {
				TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
			} catch (InterruptedException e) {
				throw new RuntimeException(e);
			}
		}).forEach(i -> log.info("ParallelStream() -> {}", i))).get();
	forkJoinPool.shutdown();
}

  • 그런데 지역변수로 설정한다는건 결국 ForkJoinPool 쓰레드가 생성되기 때문에 트래픽이 많을 경우 그 만큼 가용할 수 있는 쓰레드는 줄어들게 된다

로컬에 생성한 ForkJoinPool은 shutdown을 수행해야 한다!

ForkJoinPool의 종료 시점은 쓰레드 당 60초 이후에 반납된다

만약 new ForkJoinPool(4) 으로 생성하였다면 4초 이후에 활성화된 쓰레드가 반납된다

그렇기 때문에 동시에 트래픽이 몰려서 지역변수로 ForkJoinPool을 생성하게 된다면 가용할 수 있는 쓰레드가 없을수도 있다. 그러므로 자동으로 반납되기 전에 shutdown()을 사용해서 쓰레드를 종료시키는게 중요하다

참고 : https://meetup.nhncloud.com/posts/291

  • 그리고 우리가 쓰레드 그룹을 생성하는건, 애플리케이션에서 수행되는 쓰레드 가용성을 보장하기 위해서이다

  • 그러므로 static으로 설정하는게 우리가 의도한 목적과 일치할 수 있다

  • 그러나 static으로 설정할 때 중요한건 size 설정이다

  • 특정 쓰레드만 수행되기 때문에 size를 너무 적게 설정하면 해당 기능의 수행시간이 딜레이 될 수 있다


// size는 트래픽을 고려하여 신중히 결정할것!!
private static ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool(8);

실제로 static과 지역변수로 설정했을때 실행시간은 얼마나 차이가 날까?

Jmeter를 활용한 테스트

테스트 선행 조건

1초 마다 5번씩 2개의 요청을 호출한다

ForkJoinPool 사이즈는 2개로 고정하였다

지역변수로 수행했을때 결과

전역변수로 수행했을때 결과

차이 비교

  • 지역변수로 설정했을땐 평균 2.8초 소요되었고, 전역변수로 설정했을땐 4초 이상이었다

  • 사이즈를 적게 잡은것도 있지만 차이를 보여주기 위해 일부로 적게 설정하였다

  • 이처럼 사이즈에 따라서 성능에 영향을 줄수 있으니 주의해야 한다!!

💡 모든 기술은 양면성을 가지고 있다. 새로운 기술을 도입하기 전에 항상 공식문서를 확인하거나 다양한 사용 사례를 살펴보고 우리 서비스에 적합한지 확인을 해야 한다

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