SpinLock

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SpinLock

멀티스레드 환경에서 동기화를 관리하기 위해 사용되는 락(잠금) 메커니즘
공유 자원에 접근하려는 여러 스레드 중 하나만 접근하도록 보장하지만, 대기 중인 스레드가 CPU를 사용하면서 반복적으로 락 상태를 확인하는 방식
 

user level에서 발생하는 동기화방법

 

[동작 방식]

1. 락이 풀려있다면 락을 획득하고, 자원을 사용. 락이 걸려 있다면, 다른 스레드가 락을 풀 때까지 계속 반복해서 락 상태 확인
2. 스핀(반복), 락이 풀릴 때까지 기다리면서 반복적으로 상태를 확인하기 때문에 spinlock.
3. 자원을 사용한 스레드는 락을 해제하여 다른 슬드가 자원에 접근할 수 있도록 함

 

[장점]
: 시스템 호출을 통해 커널 모드로 전환하는  [[#Mutex Lock]]  에 비해 오버헤드가 적음
  락이 곧 해제될 가능성이 높을 때(짧은 대기 시간)에 유리함
[단점]
: 대기 중인 스레드가 계속해서 락 상태를 확인하기 때문에, 그 동안 CPU 자원을 소모함. 긴 대기 시간에는 부적합함

 

[Compare-And-Swap 의사코드]

        /* CAS 의사코드
        if (_locked == expected)
        {
            expected = _locked;
            _locked = desired;
            return true;
        }
        else
        {
            expected = _locked;
            return false;
        } */

 

[SpinLock 동작 방식]

#include <iostream>
#include <atomic>
using namespace std;

class SpinLock
{
public:
    void lock()
    {
        /* CAS(Compare-And-Swap) : code block을 atomic으로 실행하게끔 묶어주는 매커니즘 */
        bool expected = false;
        bool desired = true;

        /* 
        	expected : _locked이 가지도록 예상되는 값
            	desired : _locked가 되길 원하는 값. 
            	락이 풀려있을때(false)에만 락을 걸어주는(true) 과정 
        */
        if (_locked.compare_exchange_strong(expected, desired) == false)
        {
            /* locked == expected일 때까지 계속 실행 */
            /* 매개변수로 bool& 를 받고있기 때문에, expected의 값이 매번 달라짐. 따라서 매번 초기화해줘야함 */
            expected = false;
        }
    }
    void unlock()
    {
        /* _locked = false */
        _locked.store(false);
    }
private:
	/* atomic은 volatile 기능도 포함 */
	atomic<bool> _locked = false;
};

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Sleep

[실행 - 대기 - 준비] 상태 전환

커널 모드로 실행되기 때문에, Context-Switching을 유발하여 느려질 수 있다

즉, 운영체제한테 공간을 요청하는 System Call을 남발해서는 안된다

 

현재 lock을 획득할 수 없는 상황이라면, sleep_for을 통해 다른 스레드가 실행될 수 있도록 기회를 제공한다

class SpinLock
{
public:
	void lock()
	{
		/* CAS(Compare-And-Swap) : 하나의 code block을 atomic으로 실행하게끔 묶어주는 매커니즘 */
		bool expected = false;
		bool desired = true;

		if (_locked.compare_exchange_strong(expected, desired) == false)
		{
			expected = false;
			/* 100ms 동안 대기 후 다시 스케줄링 대상으로 포함 */
			/* this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100)); */
			this_thread::sleep_for(100ms);
			/* timeslice를 반환 후 대기 */
			this_thread::yield();
		}
	}
	void unlock()
	{
		_locked.store(false);
	}
private:
	atomic<bool> _locked = false;
};