Kotlin 코루틴 내부 구조 (상태 머신 + Continuation + CPS)

Kotlin의 suspend 키워드를 사용하는 코루틴은 단순한 비동기 기능이 아닙니다. 내부적으로는 상태 머신(state machine) 과 Continuation-passing style (CPS) 기반의 구조로 동작하며, 이러한 설계를 통해 코루틴은 비동기 코드를 동기처럼 자연스럽게 표현할 수 있습니다.

기본 개념: `suspend` 함수란?

suspend 함수는 중단(suspend) 및 재개(resume) 가 가능한 함수입니다. 컴파일러는 이를 위해 Continuation 객체를 생성하고 상태 추적 코드를 자동 생성합니다.

suspend fun greet(): String {
    println("Hello")
    delay(1000)
    println("World")
    return "Done"
}

위 코드는 컴파일러에 의해 상태 머신으로 변환됩니다.

상태 머신 구조 (컴파일 결과 개념도)

class GreetContinuation(val completion: Continuation<String>) : Continuation<Any?> {
    var label = 0
    lateinit var result: String

    override val context = EmptyCoroutineContext

    override fun resumeWith(data: Result<Any?>) {
        try {
            when (label) {
                0 -> {
                    println("Hello")
                    label = 1
                    delay(1000, this) // suspend 후 현재 상태 저장
                    return
                }
                1 -> {
                    println("World")
                    result = "Done"
                    completion.resumeWith(Result.success(result))
                }
            }
        } catch (e: Throwable) {
            completion.resumeWith(Result.failure(e))
        }
    }
}

→ label 값으로 상태를 저장하며, 중단 이후 적절한 지점에서 재개됩니다.

CPS (Continuation-Passing Style)

Kotlin 코루틴은 내부적으로 **CPS 변환(CPS Transformation)**을 통해 구현됩니다. 이는 모든 suspend 함수가 다음 실행 내용을 Continuation(콜백) 으로 넘기는 방식으로 동작한다는 뜻입니다.

예시:

suspend fun hello() {
    println("A")
    delay(1000)
    println("B")
}

→ 컴파일러는 이 코드를 hello(continuation) 형태로 변환하며, delay 이후 재개 위치를 기억해 두었다가 resumeWith로 다시 이어서 실행합니다.

delay 함수의 내부

Kotlin의 delay() 함수는 다음과 같이 작동합니다 (JVM 기준):

suspend fun delay(timeMillis: Long) = suspendCancellableCoroutine<Unit> { cont ->
    val scheduled = executor.schedule({
        cont.resume(Unit)
    }, timeMillis, TimeUnit.MILLISECONDS)

    cont.invokeOnCancellation {
        scheduled.cancel(false)
    }
}

executor: 내부적으로는 자바의 ScheduledExecutorService 사용
suspendCancellableCoroutine: 코루틴 중단 가능 지점 생성
resume(): 일정 시간 후 코루틴 재개

→ 스레드를 블로킹하지 않고 코루틴만 중단시킴

Dispatchers와 스레드

Kotlin 코루틴은 직접 스레드를 만들지 않습니다. 대신, 다음과 같은 Dispatcher를 통해 JVM의 스레드 풀을 재사용합니다:

Dispatcher	설명
Default	CPU 연산용 스레드풀 (ForkJoinPool 기반)
IO	IO용 무제한 스레드풀
Main	Android 메인 스레드 등 UI 전용
Unconfined	처음 호출된 스레드에서 실행

→ 결국 코루틴은 JVM 스레드에서 실행되지만, 코루틴 자체는 스레드가 아닙니다.

참고 자료

Kotlin 공식 문서: https://kotlinlang.org/docs/coroutines-overview.html
KotlinConf 2019 Roman Elizarov (설계자) 발표: KotlinConf 2019: Coroutines Under the Hood
KotlinConf 2017 Roman Elizarov (설계자) 발표: https://youtu.be/YrrUCSi72E8?si=EoNjXdNJ2wvMJIpG
Kotlin GitHub: https://github.com/Kotlin/kotlinx.coroutines
kotlinx.coroutines 구현 내부 코드: suspendCancellableCoroutine.kt, Delay.kt

마무리 요약

핵심 요소	설명
`suspend`	상태 머신으로 변환됨 (코드 쪼개짐)
`Continuation`	재개 지점 추적 객체
`delay()`	실제로는 스케줄된 콜백 등록 후 중단
실행 위치	JVM 스레드풀 (Dispatcher)
철학	비동기 코드를 동기처럼 쓰게 해주는 언어 설계

Kotlin 코루틴은 단순한 비동기 처리 기술이 아니라, 언어, 컴파일러, 런타임이 조화롭게 설계된 고급 개념입니다.