C++ SpinLock구현

SpinLock은 앞선 포스팅에서 말한 존버메타 lock이다.

즉, lock을 다른 스레드가 사용중이면, 그 앞에서 lock이 풀릴때까지 계속 기다리는 것이다.

 

이거를 한 번 구현해보자.

 

• 들어가기에 앞서, 멀티스레드 프로그래밍을 할 때는, 내가 작성한 코드를 여러 스레드가 동시에 실행한다는 것을 잊지 말아야 한다. 그러지 않으면, 왜 에러가 나는지, 왜 코드가 내가 생각한대로 되지않는지 이해하기 어려워진다.

 

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <mutex>

class SpinLock
{
public:
	void lock()
	{
		while(_locked){		}
		_locked = true;
	}

	void unlock()
	{
		_locked = false;
	}

private:
	bool _locked = false;
};

int sum = 0;
SpinLock spinLock;

void Add()
{
	for (int i = 0; i < 10000; i++)
	{
		lock_guard<SpinLock> guard(spinLock);
		sum++;
	}
}

void Sub()
{
	for (int i = 0; i < 10000; i++)
	{
		lock_guard<SpinLock> guard(spinLock);
		sum--;
	}
}

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

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

	cout << sum << endl;
}

 

가장 기본적으로 생각해볼 수 있는 방식이다.

 

어떤 스레드가 _locked를 사용한다면 _locked는 true가 되고,

다른 스레드는 while(_locked)에서 막혀서 대기하는 상황인 것이다.

그리고, lock을 사용하던 스레드가 unlock을 통해서 _locked를 false로 바꿔주면,

while문에서 기다리던 스레드들이 lock을 가질수 있는 아주 논리적이고 이성적인 방법으로 보인다.

 

하지만 실행해보면 시궁창이다

 

문제점을 분석해보자.

• 프로그램이 시작된다.
• 스레드 t1과 t2가 lock을 얻기 위해서 달려간다.
• 최초 _locked는 false이므로, 먼저 도착하는 스레드는 while문에서 막히지 않고 통과할 수 있을 것 같다.
• 하지만, 두 개의 스레드가 동시에 while문에 도착할 수도 있다.
• 두 개의 스레드 모두, _locked=true를 실행하기 전이라면, 모두 while문을 통과해서  _locked=true를 실행할 수 있다.
• 그러면 두 스레드 모두 lock을 얻게 된다.

 

어떻게 해결해야 할까?

저번에 알아봤던 atomic에서 아이디어를 얻을 수 있다.

 

while(_locked)를 검사하는 부분과

_locked=true를 실행하는 부분을 한 번에 실행해야 하면 된다.

 

이것과 관련된 함수는 atomic변수를 사용하면 제공된다.

_locked를 atomic변수로 선언하고, compare_exchange_strong함수를 사용하면 된다.

일단 코드부터 보고, 분석해보자.

 

class SpinLock
{
public:
	bool expected = false;
	bool desired = true;

	void lock()
	{
		while(_locked.compare_exchange_strong(expected, desired) == false)
		{
			expected = false;
		}
	}

	void unlock()
	{
		_locked.store(false);
	}

private:
	atomic<bool> _locked = false;
};

int sum = 0;
SpinLock spinLock;

void Add()
{
	for (int i = 0; i < 10000; i++)
	{
		lock_guard<SpinLock> guard(spinLock);
		sum++;
	}
}

void Sub()
{
	for (int i = 0; i < 10000; i++)
	{
		lock_guard<SpinLock> guard(spinLock);
		sum--;
	}
}

이렇게 수정해주면 되는데

 

_locked.compare_exchange_strong함수를 보자.

이 함수가 하는 일은 다음과 같다.

 

• _locked==expected라면, _locked=desired를 수행하고, true를 반환한다.
• _locked!=expected라면, false를 반환한다.

 

우리는 다른 스레드가 lock을 갖고 있는 동안은 while문을 계속 돌며 대기하길 바란다.

따라서 우리가 기대하는 값(expected)은 lock을 아무도 갖고있지 않은 false인 상황이고,

lock을 아무도 갖고 있지 않다면, 그 lock을 desired값. 즉, true로 설정하여 lock을 갖게 되는 것이다.

 

이 함수를 의사코드로 작성해보면 다음과 같다.

    //lock을 가질 수 있는 상황
    if (_locked == expected)
    {
        expected = _locked;
        _locked = desired;
        return true;
    }
    //다른 스레드가 lock을 가지고 있는 상황.
    else
    {
        expected = _locked;
        return false;
    }

 

(나도 배운 코드인데, 사실 expected = _locked를 수행하는 이유는 모르겠다. 이 라인이 없다면,

while문을 돌며, expected=false를 계속 해줄 필요도 없을텐데)

 

여튼.. 이렇게 spinlock을 구현하면, 기존의 C++에서 제공하는 mutex를 사용하는 것과 동일하게 lock이 잘 작동한다.