운영체제 - 메모리 배리어(MemoryBarrier)

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운영체제 - 컴파일러 최적화(Release, volatile)

컴파일러 최적화

우리가 짠 코드를 컴파일러가 멋대로 튜닝을 해가지고 다른 결과물을 나오게 된다. 멀티 쓰레드에서는 독이 될수도 있다.

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1. 하드웨어 최적화

01 Thread_1

static int x = 0;
static int r1 = 0;

static void Thread_1()
{
    y = 1; // Store y;
    r1 = x; // Load x (r1에 x 값 기입)
}

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02 Thread_02

static int y = 0;
static int r2 = 0;
 
static void Thread_1()
{
    y = 1; // Store y;
    r1 = x; // Load x (r1에 x 값 기입)
}

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 Thread Pool에서 2개의 task가 있으니까 멀티쓰레드 환경

x = y = r1 = r2 = 0;

Task t1 = new Task(Thread_1);
Task t2 = new Task(Thread_2);

t1, t2가 끝날때까지 메인쓰레드에서 대기

t1.Start();
t2.Start();

Task.WaitAll(t1, t2);

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03 경우의 수 조합 

if (r1 == 0 && r2 == 0)
    break;

 

 

-> X = 0, Y = 0의 경우의 수를 찾을 수 없다.

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04 X = 0, Y = 0이 가능한 이유

하지만 출력을 해보면 빠져나온 것을 확인 할 수 있다.

이와 같은 결과가 나오는 이유는 하드웨어도 최적화 때문이다. 

CPU같은 경우 일련의 명령어들을 수행할 때 명령어들이 서로 의존성이 없다고 판단될 경우  순서를 마음대로 뒤바꿀 수 있다. 순서를 마음대로 바꾸다가 이러한 경우 X = 0, Y = 0이 나오는 것이다.

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05 문제점

싱글 쓰레드에서는 문제가 되지 않는다. R1 = X와 Y = 1이 진짜 둘이 연관성이 없기 때문이다.

하지만 멀티쓰레드에서 순서를 마음대로 바꾸면 우리가 예상한 로직이 꼬일수도 있다. 이를 해결하기 위해 메모리 베리어를 사용한다.

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2. 메모리 베리어

현재 쓰레드를 실행 중인 프로세서는 MemoryBarrier()에 대한 호출 이전의 메모리 액세스 MemoryBarrier()에 대한 호출 이후의 메모리 액세스는 서로 접근할 수 없으므로 명령들을 마음대로 정렬 할 수 없다.

public static void MemoryBarrier ();

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01 Memory Barrier종류

1) Full Memory Barrier (ASW MFENCE, C# Thread.MemoryBarrier) : Store/Load 둘다 막는다.

2) Store Memory Barrier (ASW SFENCE) : Store만 막는다.

3) Store Memory Barrier (ASW LFENCE) : Load만 막는다.

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02 코드 재배치 억제

static void Thread_1()
{
    y = 1; 

    //-------경계선--------//
    Thread.MemoryBarrier();

    r1 = x; 
}

static void Thread_2()
{
    x = 1;
            
    //-------경계선--------//
    Thread.MemoryBarrier();

    r2 = y;
}

배리어 위의 코드가 배리어 아래의 코드와 순서가 바뀌어서 실행될 수 없도록 코드의 실행 순서를 보장해 준다.

그러므로 출력을 해보면 무한루프에 빠져 있는 것을 확인 할 수 있다.

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03 가시성

예를 들어서 A직원이 주문을 받았을때 B직원은 A직원이 주문현황에 올리기 전까지 알지 못한다. 가시성은 A직원이 주문을 받은 것 자체를 다른 직원들이 바로 볼 수 있냐 없냐의 가시성을 얘기하는 것이다.

 

A직원이 자기 수첩에 적고 주문현황에 옮긴다. 그리고 두번째 직원이 주문현황의 정보를 자기 수첩에 적으면 실제 상황맞아떨어지게 업데이트 할 수 있다.

 

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04 사용방법

Memory Barrier를 하나하나 명시적으로 입력하지 않아도 volatile과 lock등 같이 내부적으로 구현하고 있는 경우가 있다.

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3. 대표적인 예시

int _answer;
bool _complete;

void A()
{
    _answer = 123;
    Thread.MemoryBarrier(); // Barrier 1
    _complete = true;
    Thread.MemoryBarrier(); // Barrier 2
}

void B()
{
    Thread.MemoryBarrier(); // Barrier3
    if(_complete)
    {
         Thread.MemoryBarrier(); // Barrier 4
         Console.WriteLine(_answer);
    }
}

만약 MemoryBarrier가 없었더라면 _answer = 123 , _complete가 true로 바뀌었음에도 불구하고 갱신이 안되는 문제가 발생했을 수도 있다.

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MemoryBarrier 역할

Barrier1 : _answer = 123을 썼으므로 물을 내려주는 작업(갱신)을 통해서 가시성을 보장

Barrier2 : _complete을 썼으므로 물을 내려주는 작업(갱신)을 통해서 가시성을 보장

Barrier3 : _complete를 읽기전에 가시성이 보장해주기 위해서 물을 내려주는(갱신) 것이다.

Barrier4 : _answer가 최신정보가 맞는지 가져오기 전에 물을 내려주는(갱신) 것이다.

 

 

 

 

참고 :  본 내용은 MMORPG  PART4 강의를 수강하여 작성하였습니다.

https://www.inflearn.com/course/%EC%9C%A0%EB%8B%88%ED%8B%B0-mmorpg-%EA%B0%9C%EB%B0%9C-part4