[Server] #15-9. 이벤트와 조건 변수
이벤트와 조건 변수
멀티 스레드 환경에서 데이터를 안전하게 공유하면서 대기 시간을 줄이는 방법을 알아본다. 이번에는 Producer & Consumer 패턴을 사용하여 이벤트(Event)와 조건 변수(Condition Variable)을 활용하는 방법을 알아보자.
Producer & Consumer
생산자와 소비자로 역할을 분담하면, 여러 스레드가 동시에 데이터를 처리하면서도 락 경합을 줄일 수 있다.
기본적인 Producer & Consumer 패턴을 코드로 구현해보자.
Producer()- 무한 루프를 돌며 큐에 데이터를 넣는다.
std::unique_lock<std::mutex>를 사용해 뮤텍스를 잠그고, 큐에 데이터(100)를 넣은 후 잠금을 해제한다.- 데이터를 넣은 후 100ms 동안 잠든다.
Consumer()- 무한 루프를 돌며 큐에서 데이터를 꺼낸다.
std::unique_lock<std::mutex>를 사용해 뮤텍스를 잠그고, 큐가 비어있지 않으면 데이터를 꺼내서 출력한다.- 큐가 비어있으면 아무런 작업도 하지 않는다.
std::mutex m;
std::queue<int> q;
void Producer()
{
while (true)
{
std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
q.push(100);
std::this_thread::sleep_for(100ms);
}
}
void Consumer()
{
while (true)
{
std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
if (q.empty() == false)
{
int data = q.front();
q.pop();
std::cout << data << std::endl;
}
}
}
int main()
{
std::thread t1(Producer);
std::thread t2(Consumer);
t1.join();
t2.join();
}
- 문제점
- Busy Waiting
- 소비자 스레드는 큐가 비어있을 때도 무한 루프를 돌면서 큐를 확인한다. 아는 CPU 자원을 낭비하는 Busy Waiting 문제다.
- 소비자 스레드가 직접 확인하지 않고, 누군가 알려주는 방식(큐에 데이터가 추가될 때까지 소비자 스레드는 대기 상태가 될 수 있음)으로 개선할 수 있다. → 이벤트 or 조건 변수를 활용
- Busy Waiting
💡 Busy Waiting이란?
스레드나 프로세스가 특정 조건이 충족(e.g. 락이 해제, 데이터 도착 등)될 때까지 무한 루프를 돌면서 조건을 확인하는 방식이다.
스레드가 대기 상태로 전환되지 않고 계속 실행 상태를 유지하므로, CPU 자원을 불필요하게 소모한다.
Event
운영체제에서 제공하는 커널 오브젝트(HANDLE) 를 활용하면, 락이 풀릴 때까지 직접 확인하지 않고운영체제가 신호(Signal)를 보내도록 할 수 있다.
HANDLE hEvent는 특정 커널 오브젝트를 지칭하는 정수이다.커널 오브젝트는 유저 레벨에서 관리하는 오브젝트와 달리, 운영체제가 관리하는 오브젝트를 생성할 수 있도록 요청한다.
이벤트를 사용한 코드를 살펴보자.
std::mutex m;
std::queue<int> q;
HANDLE hEvent;
void Producer()
{
while (true)
{
std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
q.push(100);
// 데이터를 넣은 후 이벤트 신호 설정
::SetEvent(hEvent);
std::this_thread::sleep_for(100ms);
}
}
void Consumer()
{
while (true)
{
// 이벤트 신호가 올 때까지 대기 (무한 대기)
::WaitForSingleObject(hEvent, INFINITE);
std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
if (q.empty() == false)
{
int data = q.front();
q.pop();
std::cout << data << std::endl;
}
}
}
int main()
{
// 커널 오브젝트 생성 (이벤트 초기화)
hEvent = ::CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL);
std::thread t1(Producer);
std::thread t2(Consumer);
t1.join();
t2.join();
::CloseHandle(hEvent);
}
- 이벤트의 장단점
- 장점
- Busy Waiting 문제 해결 - 스레드가 직접 락을 확인하지 않고, 이벤트 신호를 기다리기 때문에 CPU 자원을 효율적으로 사용할 수 있다.
- 커널 오브젝트이기 때문에 프로세스 간 동기화에도 사용할 수 있다.
- 단점
- 운영체제가 관리하는 커널 오브젝트이므로 비용이 발생한다.
- 이벤트를 과도하게 사용하면 커널 오브젝트 관리 비용이 증가해 성능이 저하될 수 있다.
- 장점
Condition Variable
조건 변수는 운영체제가 아닌 유저 레벨에서 관리하는 오브젝트이다. 이벤트와 사용 방식은 비슷하지만, 커널 오브젝트를 사용하지 않아 성능 부담이 적다.
조건 변수를 사용한 코드를 살펴보자.
std::mutex m;
std::queue<int> q;
std::condition_variable cv;
void Producer()
{
while (true)
{
{
std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
q.push(100);
}
// 조건 변수 알림
cv.notify_one();
std::this_thread::sleep_for(100ms);
}
}
void Consumer()
{
while (true)
{
std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
// 조건을 만족할 때까지 대기 (락을 자동으로 풀었다가 깨어날 때 다시 잡음)
cv.wait(lock, []() { return q.empty() == false; });
{
int data = q.front();
q.pop();
std::cout << data << std::endl;
}
}
}
int main()
{
std::thread t1(Producer);
std::thread t2(Consumer);
t1.join();
t2.join();
}
- 조건 변수의 장단점
- 장점
- Busy Waiting 문제 해결 - 조건 변수는 스레드가 조건을 만족할 때까지 대기 상태로 들어가기 때문에 CPU 자원을 효율적으로 사용할 수 있다.
- 이벤트와 유사하지만, 운영체제 개입 없이 유저 레벨에서 동작한다. (커널 모드 전환 비용이 없음)
- 스레드가 직접 lock을 확인하지 않아 busy waiting 문제를 해결한다.
- 운영체제에서 관리하는 커널 오브젝트를 사용하지 않기 때문에 비용이 절감된다.
- 단점
- 커널 오브젝트가 필요한 상황(e.g. 프로세스 간 동기화)에서는 조건 변수로 대체할 수 없다.
- 특정 상황에서는 커널 오브젝트가 더 적합할 수 있다.
- 장점
마치며
- 기억할 것
- 스핀락처럼 계속 확인하며 기다리지 않고 “누군가 알려주는 방식”을 사용하면 CPU 자원을 아낄 수 있다.
- 나중에 필요할 때 구글링 해서 구현할 수만 있으면 된다.
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