[Server] #15-5. 공유 자원

공유 자원

멀티 쓰레드 환경에서는 여러 쓰레드가 동시에 같은 변수를 수정하면 데이터 충돌(Race Condition)이 발생할 수 있다.

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실습1 - 공유 자원 문제 확인하기

• 공유 자원의 문제를 디스어셈블리로 확인해본다.

int sum = 0;	// Data 영역

void Add()
{
	for (int i = 0; i < 100'0000; i++)
	{
		sum++;
	}
}

void Sub()
{
	for (int i = 0; i < 100'0000; i++)
	{
		sum--;
	}
}

int main()
{
	std::thread t1(Add);
	std::thread t2(Sub);

	t1.join();
	t2.join();

	std::cout << "sum == " << sum << std::endl;
}

• 결과
  • i가 100일 때 sum == 0
  • i가 100’0000일 때 sum == 178827
  • 이론적으로 0이어야 할 sum값이 0이 아닐 수도 있다. (예측 불가능한 값)
• 원인
  • sum++, sum-- 연산이 세 단계(load, modify, store)로 이루어져 있는데, 이 과정에서 다른 스레드가 끼어들면 값이 덮어씌워져서 연산이 손실될 수 있다. → 경쟁 조건(Race Condition)이 발생
  • 디스어셈블리 창으로 계산을 확인하면, sum++은 int eax = sum; → eax = eax + 1; → sum = eax; 이렇게 세 단계에 걸쳐 실행된다.
  • 계산이 한 번에 이뤄지지 않는 이유는, Data 영역에 있는 sum 변수는 RAM만 알고 CPU가 알지 못하기 때문에 레지스터에 넣은 값으로 연산을 수행한다.

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실습2 - atomic으로 문제 해결하기

std::atomic을 사용하면 모든 연산을 단일 명령어로 처리하여 데이터 경합을 방지한다.

std::atomic<int> sum = 0;

void Add()
{
	for (int i = 0; i < 100'0000; i++)
	{
		sum++;
	}
}

void Sub()
{
	for (int i = 0; i < 100'0000; i++)
	{
		sum--;
	}
}

int main()
{
	std::thread t1(Add);
	std::thread t2(Sub);

	t1.join();
	t2.join();

	std::cout << "sum == " << sum << std::endl;
}

• 결과
  • sum == 0이 보장된다.
• 원리
  • sum++이 기존의 inc 명령어에서 lock inc 명령어로 변경되어 원자적 연산이 수행된다.

atomic은 CPU의 lock prefix(예. lock inc)를 사용하여 명령어를 단일 연산으로 만들어준다.

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실습3 - atomic 함수 사용하기

std::atomic<int> sum = 0;

int temp = sum.load();	

sum.store(10);	

int temp = sum.exchange(10);	

• load(): 값 읽기 (일반 변수 읽기와 동일하지만 원자적 연산)
• store(): 값 저장하기 (일반 변수 저장과 동일하지만 원자적 연산)
• exchange(): 값을 변경하면서 이전 값 반환하기

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실습4 - Stack, Heap에서의 공유 자원

Heap에서 공유 자원을 만들어보고 Crash가 발생하는지 확인해본다.

void Test()
{
	for (int i = 0; i < 10000; i++)
	{
		int* p = new int();		

		*p = 100;

		delete p;
	}
}

• 결과
  • Crash가 발생하지 않는다.
  • Heap을 사용해도 자원이 공유되지 않으면 문제가 발생하지 않는다.
  • 스레드 간 자원이 공유될 경우 문제가 발생할 수 있다.
    • 예. 전역 변수, 함수 인자로 포인터 공유

• 변수의 위치 확인하기
  • 포인터 p
    • Stack 영역에 저장된다.
    • p 자체는 힙 메모리를 가리키는 주소를 보관한다.
  • new int()로 할당된 메모리
    • Heap 영역에 저장된다. *p = 100을 실행하면, 힙 메모리에 있는 공간에 100을 저장한다.
  • 정리
    • 스택: 포인터 변수 p가 저장된다. (주소만 보관)
    • 힙: new int()로 할당된 메모리 공간이 저장된다. (실제 값 저장)
    • delete p;를 호출하지 않으면, 힙 메모리에 할당된 공간이 해제되지 않는다.
    • → p는 스택 영역에 있기 때문에 다른 스레드들이 접근할 수 없다.

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출처 Rookiss님 게임 프로그래머 입문 올인원