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2022-07-06 08:02

제목

[C#] Lock-Free, Interlocked 사용 (CAS)

이전 포스팅에서 Volatile을 통한 원자적 동기 처리를 알아 보았습니다. 링크
이렇게 원자적 처리를 이용해서 읽기, 쓰기, 비교 처리를 사용해서 명시적인 Lock 사용 없이 Non-Blocking 으로 동기화 처리 할 수 있는데 이러한 방법을 Lock-Free 동기화 라고 부릅니다.
이번 글은 Lock-Free가 왜 필요한지 또 어떻게 구현되고 사용할 수 있는지에 대해 알아보겠습니다.

Lock-Free 동기화 처리는 왜 하는 걸까요? 비동기 환경에서 동기화 처리를 하는데 있어 Lock을 이용한 블로킹 처리는 다음과 같은 잠재적인 문제 발생의 여지가 있습니다.

  • 성능 하락 : 여러 스레드가 하나의 공유자원을 획득하기 위해 경쟁하는데 CPU는 어떤 스레드에 자원을 허락해야 할지 연산에 있어 성능 저하가 발생 됩니다.
  • 라이브락(livelock) : 어떤 스레드가 락을 획득하고 해제되지 않으면 영원히 블로킹 될 수 있습니다. (* 커널 모드에서 동기화 처리시 영원히 블로킹되는 현상은 데드락(deadlock) 이라 부릅니다.)

이러한 이유로 Non-Blocking 적으로 동기화 처리 방법에 있어 Lock-Free 방식이 많이 사용 됩니다.

Compare And Exchange (CAS)

Lock-Free를 구현하는 알고리즘은 여러가지가 있는데 선형 자료구조인 Queue또는 Stack, 이진트리 구조를 사용합니다. 이런 자료구조를한 처리 연산 방법에 해당 되는 것이 CAS 입니다.
CAS는 특정 값을 비교해서 같다면 X값으로 교체 하는 연산 처리를 말합니다.
이런 알고리즘을 이용해서 동기화 처리를 Blocking(차단) 하지 않고 Non-Blocking 하게 처리 되도록 하여 성능을 유지하고 라이브락 또는 데드락 되는 현상을 방지할 수 있습니다.
이런 Lock-Free 방식의 동기화 처리는 주로 게임서버 같이 극대의 성능을 끌어 올리면서 비동기 방식으로 처리해야되는 서버 환경에서 많이 사용됩니다.

Interlocked

C# 에서는 Lock-Free를 비교적 쉽게 구현할 수 있습니다. System.Threading.Interlocked 클래스에서는 CAS를 사용할 수 있는
CompareExchange() 메서드가 제공됩니다.

바로 코드로 구현해 보자면 다음과 같이 구현할 수 있습니다.

// CAS를 이용한 Non-Blocking 동기 처리 클래스
public class CAS_Lock
{
        // 0 = false
        // 1 = true
        private volatile int _lock = 0;

        public void Lock()
        {
            while(true)
            {
                if(Interlocked.CompareExchange(ref _lock, 1, 0) == 0)
                {
                    return;
                }
            }
        }

        public void Free()
        {
            _lock = 0;
        }
}

CAS_Lock _cas = new CAS_Lock();
private async void StartWorker()
{
  Enumerable.Range(0, 10).ToList().ForEach(item =>
  {
    Task.Run(this.Worker);
  });
}

private void Worker()
{
  _cas.Lock();

  Console.WriteLine($"Lock 획득! - id : {System.Threading.Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} / {DateTime.Now.Second}s");
  Thread.Sleep(1000);

  _cas.Free();
}

System.Threading.Interlocked 를 사용해서 Non-Blocking 동기 처리를 수행하는 CAS_Lock 클래스를 구현하고
스레드개가 동시에 위 CAS_Lock 클래스를 사용하여 동기화 처리를 한 코드 입니다.

위 코드를 실행해보면 1초마다 각 스레드가 순차적으로 Lock 상태에 따라 Worker() 메서드의 내부코드를 처리 하는걸 확인할 수 있습니다.
출력결과

Lock 획득! - id : 10 / 58s
Lock 획득! - id : 6 / 0s
Lock 획득! - id : 14 / 1s
Lock 획득! - id : 8 / 2s
Lock 획득! - id : 12 / 3s
Lock 획득! - id : 7 / 4s
Lock 획득! - id : 3 / 5s
Lock 획득! - id : 11 / 6s
Lock 획득! - id : 9 / 7s
Lock 획득! - id : 5 / 8s

이 처리 과정을 단순히 그려보면


그림1

＊그림1

그림1과 같습니다.</br>

이 처럼 스레드가 lock처리 되어 있는 구간에 진입할때 lock대기열로 진입힌지 않고 계속해서 lock이 해제 되었는지 무한 체크 하는 방식으로 동기화 처리가 진행됩니다.

하지만 이런 처리 방식은 게임서버 같은 고사양 환경이 아닌경우 특정 조건일때 사용해야 이점이 큽니다.
CLR Via C# 4판 29장 내용중 위와 같은 처리는 보호하려는 임계 구간이 짧으면서도 한 스레드가 오랫동안 머물지 않은 처리일때 효과적이라고 나와있습니다.

출처1

출처2

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