ThreadSynchronization

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1. 개요
2. 기본
3. Critical Section
4. Critical Section Spin Count
5. Semaphore Throttles
6. Conditional Variable Model
7. Spin Lock
8. 링크

1 개요

스레드 동기화 관련 내용들을 기록해 두기 위한 페이지. 주로 윈도우즈.

2 기본

• 동기화 관련 시스템 콜들은 CPU를 꽤나 잡어먹기 때문에 최대한 피하는 것이 좋다.
  
• 동기화 관련 객체 LOCK/UNLOCK 사이의 코드는 최대한 짧게 짜야한다.
  
  
  

3 Critical Section

크리티컬 섹션이 유저 모드에서 동작하기 때문에 일반적으로 뮤텍스보다 빠르다(2 ~ 10배)는 것은 널리 알려져 있다. 왜 빠른지에 대해 약간 정리해보자면...


• 스레드가 EnterCriticalSection 함수를 호출한 경우, 제일 먼저 CRITICAL_SECTION 구조체 내부의 변수를 검사하게 된다. 이 값이 off인 경우, 바로 atomic 연산을 통해 이 값을 on으로 바꾸고 다음 작업을 진행하게 된다.
  
• 크리티컬 섹션이 다른 스레드에 점유되어 있는 경우, 싱글 CPU 상에서는 바로 커널 모드로 넘어가게 되고, 다중 CPU 상에서는 Spin Count만큼 대기(busy-waiting)하면서, 락이 풀리기를 기다리게 된다.
  
• 커널 모드로 넘어가게 되면, 해당 스레드는 세마포어를 이용한 WAIT 상태가 된다.
  
• LeaveCriticalSection 함수를 호출하게 되면, CRITICAL_SECTION 구조체 내부의 변수를 off로 바꾸고, 세마포어를 이용한 경우에는 기다리고 있는 스레드에게 통지를 해주게 된다.
  
  
정리해보자면 크리티컬 섹션이 뮤텍스보다 빠른 것은 2가지 경우다.

• 같은 크리티컬 섹션 객체에 접근하는 스레드의 숫자가 적어서, CRITICAL_SECTION 내부 락 변수만으로 동기화가 이루어질 때.
  
• 적당한 스핀 카운트를 통해 WAIT 상태로 가기 전에 락을 획득할 수 있을 때. (SMP 머신의 경우)
  
  
즉 크리티컬 섹션 관련 스레드가 최대한 커널 모드로 들어가지 않도록 해줘야한다는 말이다.

4 Critical Section Spin Count

위에서도 설명했듯이, SMP 시스템에서 크리티컬 섹션과 관련된 병목을 줄이기 위해서는 적당한 스핀 카운트를 설정해줘야한다. 커널 모드로 들어가기 보다는 유저 모드에서 busy-waiting을 하는 게 나을 수 있기 때문이다. 이를 위한 함수가 SetCriticalSectionSpinCount, InitializeCriticalSectionAndSpinCount 함수다. Spin Count 값으로서 어느 정도의 값을 주는지는 당연히 시스템/애플리케이션마다 틀리다.

5 Semaphore Throttles

하나의 동기화 객체(크리티컬 섹션 또는 뮤텍스)를 기다리는 스레드가 너무 많은 경우, 세마포어를 하나 더 둬서, 해당 동기화 객체를 기다리는 스레드의 숫자를 줄여주는 것이 성능 향상에 도움이 될 수 있다.


while (TRUE) { // Worker loop
   WaitForSingleObject (hThrottleSem, INFINITE);
   WaitForSingleObject (hMutex, INFINITE);
      ... Critical code section ...
   ReleaseMutex (hMutex);
   ReleaseSemaphore (hThrottleSem, 1, NULL);
} // End of worker loop

6 Conditional Variable Model

7 Spin Lock

초간단 스핀락. 일반적(?)인 락에 비해 크기가 작고(4바이트!), 전역 변수로 사용하기가 쉽다. 대신 CPU를 혹사시킨다는 단점이 있다. -_-;


// 락의 상태
enum
{
    LOCKED   = 0, ///< 잠겼음
    UNLOCKED = 1, ///< 풀렸음
};

/// \brief 스핀락을 초기화한다.
long InitSpinLock()
{
    return UNLOCKED;
}

/// \brief 스핀락을 건다.
void EnterSpinLock(volatile long* target)
{
    for (;;)
    {
        if (InterlockedExchange(target, LOCKED) == UNLOCKED)
            break;
    }
}

/// \brief 스핀락을 푼다.
void LeaveSpinLock(volatile long* target)
{
    InterlockedExchange(target, UNLOCKED);
}

8 링크

• The Pillars of Concurrency
  
Building a consistent mental model for reasoning about concurrency

• Use Lock Hierarchies to Avoid Deadlock
  
Keep it on the level: Use lock hierarchies to avoid deadlock in the code you control


• Compound Win32 Synchronization Objects
  
각종 동기화 객체들 간의 비교

• A Quick and Versatile Synchronization Object
  
동기화 객체 구현하기


• Multiple Approaches to Multithreaded Applications
  
• 10 Ways to Reduce Lock Contention in Threaded Programs
  
• Apply Critical Sections Consistently
  
Guaranteeing mutual exclusion on shared variables

• see also LockFreeAlgorithm, ThreadsProgramming, Deadlock
  

• CategorySystemProgramming