[C++ Korea] C++ 메모리 모델과 atomic 타입 연산들

C++ Concurrency in Action Study
C++ Korea
C++ Korea
C++ Concurrency in Action
Study C++ Korea 박 동하 (luncliff@gmail.com)
C++ Korea 최 동민 (dongminchoi90@gmail.com)

C++ Korea
지난 이야기(4장)
2
• 조건 변수
• future
• promise
• async
• packaged_task
• shared_future
• 시간 측정
• chrono
• Using synchronization of operations to simplify code
• 함수형 프로그래밍
• Communicating Sequential Process

C++ Korea
오늘의 내용

C++ Korea
Part 1.
메모리 모델 기초
4

C++ Korea
메모리 모델 기초 객체와 메모리 공간
5
객체지향을 처음 배울 때
Q. 객체란 무엇인지 쓰시오. (1점)

C++ Korea
6
C++ 의 모든 데이터 : “객체”
• “모든 것은 객체이다.” - by Ruby or SmallTalk
• “객체란 메모리 공간의 한 영역이다.” - by C++ 표준
• 객체란 단지 만들어진 데이터 블록의 상태를 의미.

C++ Korea
7
객체란 메모리 공간의 한 영역

C++ Korea
8
우리가 이미 알고 있는 것
다른 스레드가 같은 객체를 접근하면
Data Race

C++ Korea
9
우리가 이미 알고 있는 것
다른 스레드가 같은 객체를 접근하면
Data Race ?

C++ Korea
10
객체는 메모리 안의 특정 공간에 저장
• 한 객체는 기본적으로 최소한 하나의 메모리 공간 차지
• 기본형(POD)들은 정확히 하나의 메모리 공간 차지
• 인접해 있거나, 배열의 원소이더라도
• 단, 인접한 비트 필드 (Adjacent bit fields)는
하나의 메모리 블록으로 취급

C++ Korea
11
#progma pack(4) 일 때
이 구조체의 필드는 메모리에 어떻게 잡힐까요?

C++ Korea
12
책에 나온 해답
한 메모리 공간에
두 객체

C++ Korea
13
테스트 환경 : VS2015 Update 1, 32bit App, Debug
실제로 해보니, 다른 메모리 공간에 할당

C++ Korea
14
합이 32bit 초과.
-> 쪼갠다.
합이 32bit 이하.
-> 합친다.
테스트 환경 : VS2015 Update 1, 32bit App, Debug
같은 메모리 공간에 할당

C++ Korea
15
같은 메모리 공간에 할당

C++ Korea
16
이것이 왜 중요한가?
문제 없음

C++ Korea
17
이것이 왜 중요한가?
Data Race!

C++ Korea
18
같은 메모리 공간을 접근

C++ Korea
19
같은 메모리 공간을 접근한 결과
‘인접한 비트 필드’의 경우,
심지어 다른 객체를 참조했음에도 Data Race
Data Race 는 곧 미정의 동작(Undefined Behavior)

C++ Korea
20
미정의 동작(Undefined Behavior)
• C++의 가장 끔찍한 부분 중 하나
• 한 번 일어나면, 그 어플리케이션은 망한 거나 다름 없음.
• 어떠한 일이라도 일어날 수 있음.
• “제가 알고 있는 미정의 동작 중 하나는
당신의 모니터에 갑자기 불이 붙는 것입니다.”
– Anthony Williams

C++ Korea
21
동공 지진

C++ Korea
22
하지만 우리는 이 끔찍한 길을 걷기로 다짐했습니다.
• Data Race 가 있는 메모리 공간에 접근 시
원자적 연산을 사용
• Data Race 를 근본적으로 막을 수는 없지만,
프로그램을 정의된 동작으로 되돌릴 수 있다.

C++ Korea
메모리 모델 기초 수정 순서
23
또 하나 알아야 할 개념 : 수정 순서 (Modification Orders)
• 쓰기 순서(write order) 라고도 함
• 한 객체에 대한 모든 쓰기 연산에 순서를 정의한 것
• 오직 한 순간에, 하나의 쓰기만이 허용된다고 가정
• 모든 스레드에서, 이 순서는 일치해야 함.

C++ Korea24
수정 순서
write(3)
write(10)
write(-1)
초기값:0
i 의 변천사
0
3
-1
10

C++ Korea25
스레드가 보는 수정 순서
이 보는 i 의 변천사
0
3
10
가 보는 i 의 변천사
0
3
-1
10
??-65535

C++ Korea26

C++ Korea
27
우리가 원하는 것
• Data Race 로 인한 미정의 동작을 피하고 싶다.
• 서로 다른 스레드에서 보는 수정 순서를 맞추고 싶다.

C++ Korea
28
누구의 책임인가?
• 컴파일러, CPU는
기본적으로 멀티 스레드에 대한 책임이 없다.
• 싱글 스레드 단위로 판단
• 우리가 해야 할 일
• 적절한 원자적 연산을 사용해서,
컴파일러에게 수정 순서를 맞추라고 알려주는 것.
• 원자적 연산 사용 시
• 컴파일러는 필요한 동기화를
필요한 위치에 넣을 책임을 지게 된다.

C++ Korea
29
원자적 연산을 쓰면 되는군요!
• 그런데 이게 무엇인지?
• 어떤 연산들이 있는지?
• 어떨 때 써야 하는지?
• 어디에 써야 하는지?
• Part2 에서 알아봅시다.

C++ Korea
Part 2.
C++에서의
원자적 연산들과 자료형
30

C++ Korea
원자적 연산들과 자료형 표준 atomic type
31
1 + 1 = 1?
!!

C++ Korea
32
원자적 연산이란?
• 더 이상 나눌 수 없는 연산
• 연산이 반만 된 상태를 관측할 수 없음

C++ Korea
33
비원자적 연산
• ++a;

C++ Korea
34
비원자적 연산
• ++a 를 두 스레드에서 동시에 실행할 경우

C++ Korea
35
원자적 연산
• ++a;

C++ Korea
36
원자적 연산
• InterlockedExchange
InterlockedAdd …
• 이게 C++ 표준 인가요?

C++ Korea
37
표준 atomic types
• #include<atomic>
• 표준에서는, 오로지 이 타입들의 연산만이 원자적.
• 아니면 lock을 사용해서 “원자적으로 보이게“ 해야 함.
• is_lock_free() 멤버함수를 가짐.

C++ Korea
38
Lock Free 가 뭔가요?
락으로부터 자유롭나?

C++ Korea
39
Lock Free(무잠금) 란?
• Lock 없이 연산을 즉시 완료할 수 있으면 Lock Free!
• 뮤텍스나 Critical Section 같은 “Lock” 은 획득하지 못했을 시
스레드의 Sleep을 유발 -> 성능에 치명적
• Lock 은 적을 수록 좋다.
대표 함수 – InterlockedAdd(), InterlockedExchange(),
InterlockedCompareExchange()

C++ Korea
40
Lock Free 구현
• 하드웨어 지원
• 명령어 존재. 실패할 일 없음.
• 소프트웨어 구현
• 명령어로는 지원할 수 없는 복잡한 알고리즘의 경우 직접 구현 필요
• Compare And Swap(CAS) 로 구현
• PASS. 다음 챕터 분들께 양도합니다.

C++ Korea
41
atomic<T>::is_lock_free()

C++ Korea
42
이게 무슨 원리래요

C++ Korea
43
is_lock_free() 구현
VS2013, 2015에서는
8바이트 이하의 객체면
Lock-Free

C++ Korea
44
8byte 초과 시
짤없음

C++ Korea
45
Lock Free 가 아니면?

C++ Korea
46
8byte 초과 Type
atomic<Type>::store() 내부구현

C++ Korea
47
8byte 초과 시 Lock
음 스핀락이군요

C++ Korea
48
8byte 초과 시 Lock?
음 스핀락이군요
잉???

C++ Korea
49
8byte 초과 시 Lock
• 당황스럽긴 하지만, 정상적인 구현
• “memcpy() 쯤이야 오래 걸려봤자 얼마나 걸린다고..”
• 언젠가는 락을 가져오는데 성공한다.
• atomic<T> 가 지원하는 연산 중 복잡한 로직이 없기 때문에 가능한 구현.
ex : “컨테이너에서 유저를 찾아서 현재 체력이 0 이하면 마을로 귀환“
이런 거 못함.

C++ Korea
50
다시 본론으로 돌아갑니다.
• atomic<T> 클래스를 보고 있었죠?

C++ Korea
51
<atomic>
• std::atomic_flag
• 반드시 lock-free
• test_and_set() or clear() 만 가능한 BOOL
• std::atomic<T>
• T 타입에 따라, 다른 연산자 제공
• lock-free가 아닐 수도 있음
• 아무 클래스나 T에 넣을 수는 없음. 제약이 존재.

C++ Korea
52
<atomic>
• std::atomic<bool>
• std::atomic<T*>
• std::atomic<int>
• std::atomic<T>

C++ Korea
53
<atomic>
• std::atomic<T*>
• std::atomic<T>

C++ Korea
54
std::atomic_flag
• 반드시 초기화 필요
• ATOMIC_FLAG_INIT
• 파라미터로 memory order 지정.
• clear(std::memory_order_release)
“이 변수를 초기화할 때 release 의미론을 사용하라”
• 디폴트는 std::memory_order_seq_cst
• 가장 강력한 의미론. 선형화
• 조금 있다 자세히

C++ Korea
55
std::atomic_flag
• bool atomic_flag::test_and_set()
• 변수가 현재 true 이면, 그냥 true를 리턴
• 변수가 현재 false 이면, 값을 true로 바꾸고 이전 값인 false 리턴
• 용례
• Spin Lock

C++ Korea
56
std::atomic_flag
• 방금 보았던 8byte 초과 atomic<T> 타입의 내부 스핀락

C++ Korea
57
std::atomic_flag 를 이용한 spinlock mutex 구현
“바쁜 대기라 좋은 선택은 아니지만, 상호 배제를 보장하긴 합니다”

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58
std::atomic_flag의 한계
• getter 가 없다.
• 값을 수정하지 않고서는 현재 값을 알아낼 수 없다.
• getter 가 필요하다면?

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59
<atomic>
• std::atomic<T*>
• std::atomic<T>

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60
std::atomic<bool>
• 복사생성, 복사배정 불가
• 하지만 일반 bool 로부터 초기화 가능
• operator = ( ) 은 값을 리턴
• 보통은 레퍼런스를 리턴
• 수정하지 않고 읽기(load) 가능
• 이로써 일반 변수와 동일한 인터페이스 제공
• 세 종류의 read-modify-write 연산 제공

C++ Korea
61
std::atomic<T> 의 read-modify-write
• T exchange(T value)
• 새 값을 쓰고, 이전 값을 리턴한다.
• bool compare_exchange_weak(T& expected, T desired)
• *this 가 expected 와 비트 단위 일치하면 *this = desired, return true
• 일치하지 않으면, expected = *this, return false (*this는 불변)
• 단, 일부 CPU에서는 *this == expected 여도 실패할 수 있다.
• bool compare_exchange_strong(T& expected, T desired)
• *this == expected 이면 실패하지 않는다.

C++ Korea
62
Weak? Strong?
• 하드웨어 별 제공하는 동기화 명령
• AMD, Intel, Sun 구조 : compare-and-swap
• compare_exchange_strong() 기능을 명령어 단위 지원 (ex : cmpxchg)
• ABA문제 발생 가능
• Alpha AXP, IBM PowerPC, MIPS, ARM : load-linked, store-conditional
• load 시 변수에 침을 발라놓음.
• store 전에 다른 스레드가 해당 변수를 건드리면, store 연산이 실패
B.8 하드웨어 동기화 명령

C++ Korea
63
Weak? Strong?
• LL/SC 동기화를 이용하여 compare_exchange 구현하면?
• SC가 실패하는 경우 발생 = 가짜 실패
• 가짜 실패를 용인 = compare_exchange_weak( )
• 無 가짜 실패 보장 = compare_exchange_strong( )
- 추가 처리 필요
때문에 compare_exchange_strong( ) 은
compare_exchange_weak ( ) 보다 비싸다.

C++ Korea
64
그럼 ARM에서 Strong은 어떻게 구현되는지 볼까?
잉?

C++ Korea
65
(적어도 VS에서는)
strong 인지 weak 인지 고민하지 않으셔도 됩니다.
그냥 strong 쓰면 됩니다.
GCC는 어떨지 궁금하네요.

C++ Korea
66
compare_exchange_xx() 의 ordering
• 두 개의 ordering tag 를 파라미터로 취한다.
• 함수 호출이 성공했을 때의 ordering
• 함수 호출이 실패했을 때의 ordering
• 단, 성공했을 때보다 높은 order는 지정 불가
• 지정된 order에 따라
*this값을 얼마나 정확히(?) 읽고 쓰느냐가 달라짐

C++ Korea
67
<atomic>
• std::atomic<T*>
• std::atomic<T>

C++ Korea
68
std::atomic<T*>
• atomic<bool> 이 지원하는 연산자 모두 지원
• std::ptrdiff_t
• 포인터 산술 연산이 가능

C++ Korea
69
std::atomic<T*>::operator
• 오버로딩된 연산자에는 memory_order 지정 불가능
• 지정된 포멧이 존재하기 때문
• 무조건 std::memory_order_seq_cst

C++ Korea
70
<atomic>
• std::atomic<T*>
• std::atomic<T>

C++ Korea
71
std::atomic<T>
• T = integral_types (ex : int)
• atomic<T*> 가 지원하는 연산자 모두 지원
• 더하기, 빼기, 증감, 비트연산 가능
• 곱하기, 나누기, 쉬프트연산 불가
• 필요하면 compare_exchange_strong()로 구현
• 주로 카운터나 비트마스크로 사용
나누기쯤 못한다고 해서 큰 문제 없음

C++ Korea
72
<atomic>
• std::atomic<T*>
• std::atomic<T>

C++ Korea
73
generic std::atomic<T> primary class template
• T = User Defined Type
• atomic<bool> 과 같은 수준의 연산 지원
• UDT를 하나의 비트 덩어리로 인식
• UDT는 다음 조건들을 만족해야 한다.
• 비트단위 동등연산 가능 (기본 비교 연산자)
• 無 가상함수, 無 가상 베이스 클래스
• 기본 복사 배정 연산자
• 모든 non-static 멤버변수도 위 조건 만족

C++ Korea
74
UDT 제약이 의미하는 것
• atomic<vector<int>> 가 불가능 하다는 것

C++ Korea
75
UDT 제약이 의미하는 것
• atomic<T>의 용도
• 객체 카운터
• 플래그
• 포인터
• 간단한 데이터로 이루어진 배열
“이것보다 더 복잡한 자료구조나
더 복잡한 연산에는 뮤텍스를 쓰는 게 낫다.” – Anthony Williams

C++ Korea
76
C 호환 비멤버함수
• 모든 연산에는 1:1로 동등한 비멤버 함수 존재
• 멤버함수 이름 앞에 “atomic_” 을 붙인다.
• std::atomic_store(&atomic_var, new_value)
• ordering을 추가 지정하려면 뒤에 “_explicit” 을 붙인다.
• std::atomic_store_explicit(&atomic_var, new_value, std::memory_order_release)

C++ Korea
77
예외 : shared_ptr<>
• atomic 비멤버함수들의 파라미터는 atomic<T>
• 하지만 예외적으로 shared_ptr<> 도 사용 가능

C++ Korea
78
계속 나오는 의문
• std::memory_order ?
• 의미론을 부여한다?
• part 3 에서 알아봅니다.

C++ Korea
Part 3.
Memory Ordering
79

C++ Korea
Memory Ordering the beginning
80
다음 예제에서, 무엇이 출력될까요?

C++ Korea
81
data
data_ready
writer_thread 가 하는 일

C++ Korea
82
data
data_ready
reader_thread 가 하는 일
!

C++ Korea
83
42가 출력되는 이유

C++ Korea
84
data를 쓰는 것은
data_ready를 쓰는 것보다
“선행”된다.

C++ Korea
85
T1이 쓴 data_ready 를
T2가 읽는다.
즉, “동기화”된다.

C++ Korea
86
data_ready를 읽는 것은
data를 읽는 것보다
“선행”된다.

C++ Korea
87
T1이 쓴 data를
T2가 읽는다.
즉, “동기화” 된다.

C++ Korea
88
방금 본 두 가지의 개념
• 동기화 (synchronizes-with) 관계
• thread1이 쓴 data 를 thread2가 읽는 것
• “data 쓰기와 data 읽기가 동기화 된다.”
• 선행 (happens-before) 관계
• 이행 관계 성립 ( A->B 이고 B->C 이면 A->C이다. )
• “data 를 쓰는 것은 data_ready 를 쓰는 것보다 선행된다.”
• 연산들의 순서를 맞추는(강제하는) 두 가지 개념

C++ Korea
89
동기화 관계
• 멀티 스레드에서만 존재
• 다음의 thread2는 어떤 값을 읽을까요?
thread 2 가 읽는 값
• 초기값인 0을 읽거나
• thread 1 이 쓴 10을 읽거나

C++ Korea
90
동기화 관계
• thread 2 가 10을 읽으면, “동기화 되었다!” 라고 한다.
• write(data) 가 read(data) 보다 먼저 발생(선행) 되었으며
• write(data) 의 결과를 thread 2가 관측할 수 있었다는 의미

C++ Korea
선행 관계
• 단일 스레드에서는
• 한 연산이 다른 연산보다 먼저 위치(sequenced before)해 있다면
선행(happens before)한다.
• 이미 익숙한 개념

C++ Korea
92
선행 관계
• 단, 같은 구문에 위치한 연산들은 순서가 정의되지 않는다.
get_num() 은 같은 구문(statement) 에 위치
get_num() 사이엔 sequenced before 관계가 없다.

C++ Korea
93
선행 관계
• 멀티 스레드에서는
• 스레드 간 선행 관계(inter-thread happens-before)
• 한 스레드의 연산 A가 다른 스레드의 연산 B보다 먼저 수행되면
A는 B보다 (스레드 차원에서) 선행된다.
• “동기화” 관계를 필요로 함
• 연산 A가 연산 B와 동기화 되면, A는 B보다 선행된 것이다.

C++ Korea
94
선행 관계의 이행성
• A->B, B->C 이면, A->C 이다.
동기화할 데이터가 여러 개더라도,
notify 는 하나로 충분

C++ Korea
Memory Ordering for atomic operation
95
Memory Ordering 이란?
• 현대 컴파일러와 CPU는
내가 쓴 순서대로 계산하지 않는다.
누가 먼저 실행 되어도 상관없는 것들
누가 봐도 순서대로 실행되어야 할 것들

C++ Korea
96
• 컴파일러 최적화의 함정

C++ Korea
97
• CPU out-of-order
• 빨리 끝나도 되는 것부터 끝낸다
• 근데 싱글 스레드 기준
http://renesasrulz.com/doctor_micro/rx_blog/b/weblog/archive/2010/05/17/pipeline-and-out-of-order-instruction-execution-optimize-performance.aspx

C++ Korea
98
• CPU cache & write buffer
• 계산 결과를 바로 메모리에 쓰지 않는다.
• Write Back
• 메모리 데이터 != 캐시 데이터
http://egloos.zum.com/recipes/v/5170809

C++ Korea
99
• CPU cache & write buffer
in 멀티 코어
(RAM)

C++ Korea
100
• 내가 볼 땐 순서대로 실행되어야 하지만,
CPU랑 컴파일러가 볼 때에는 순서대로 실행 안되어도 상관없을 때
??

C++ Korea
101
• 얼만큼 순서대로 실행해야 하는 지 알려주어야 한다
!!
1
2

C++ Korea
102
• 얼만큼 순서대로 실행할 지를 단계별로 정의해 놓은 것
• relaxed “별로 순서대로 할 필요는 없어. 원자적이기만 하면 되지 뭐“
• acquire-release “적어도 너랑 나는 순서대로 쓰고 읽자“
• sequentially consistent “꼭 순서대로 읽고 써라 싱글 스레드다~ 생각하고“

C++ Korea
103
Memory Ordering
비용 작음
비용 큼
약함
가장 엄중함
relaxed
acquire-release
sequentially consistent
default

C++ Korea
104
Default Memory Ordering
• 가장 비싸지만, 가장 안전한 것이 default
• 지금까지 사용한 모든 atomic 연산은 seq_cst

C++ Korea
105
Memory Ordering
relaxed
acquire-release

C++ Korea
106
memory_order_seq_cst
• sequentially consistent
• It requires global synchronization between all threads
• 가장 강력한 제약
• 가장 비싼 비용
• 서로 다른 스레드들의 연산을 선형화 가능

C++ Korea
Memory Ordering memory_order_seq_cst
107
listing 5.4
z가 0이 되는 경우가 있는가?
t1 t2
t3 t4

C++ Korea
108
스레드 간 선행 관계
t1은 t3보다 선행
t1 t2
t3 t4
t2는 t4보다 선행

C++ Korea
109
가능한 경우의 수
t1 t2
t3 t4
t1 t2 t3 t4 z == 2
t1 t2 t4 t3 z == 2
t1 t3 t2 t4 z == 1
t2 t1 t4 t3 z == 2
t2 t1 t3 t4 z == 2
t2 t4 t1 t3 z == 1

C++ Korea
110
• 선형화 가능
• 상식에 맞는 행동
• is_lock_free() 가 true일 때에는 lock free
• Lock 보다 빠름
결론 : seq_cst 쓰시죠

C++ Korea
111
닝겐의 욕심은 끝이 없고…
• “난 그렇게까지 빡빡한 동기화는 필요 없는데“
• “좀 더 빠른 건 없나요?”
http://www.ddengle.com/entertainment/635506
왜 없겠어요

C++ Korea
112
하지만 그 대가는 클 것입니다.
• seq_cst 가 없는 멀티 스레드 세상에선 그 무엇도 가능합니다
• 아까 보았던 -65535
• 0.05% 의 확률로 크래시
• 모니터 자연 발화
• relaxed ordering 을 통해 체험해봅니다.

C++ Korea
Memory Ordering memory_order_relaxed
113
Memory Ordering
relaxed
acquire-release

C++ Korea
114
Listing 5.5
z는
프로그램이 끝날 때까지
0일 수 있습니다.

C++ Korea
115
Listing 5.5 의 흐름
x.store(true, relaxed)
y.store(true, relaxed)
y.load(relaxed)
return true
x.load(relaxed)
return false ????

C++ Korea
116
싱글 스레드 입장에서 생각해봅시다
y.load(relaxed)
return true
x.load(relaxed)
return false

C++ Korea
117
조금 더 복잡한 예제
• Listing 5.6

C++ Korea
118
가능한 결과 중 하나
t1 : (0, 0, 0), (1, 0, 0), (2, 0, 0), (3, 0, 0), (4, 0, 0), (5, 7, 0), (6, 7, 8), (7, 9, 8), (8, 9, 8), (9, 9, 10)
t2 : (0, 0, 0), (0, 1, 0), (0, 2, 0), (1, 3, 5), (8, 4, 5), (8, 5, 5), (8, 6, 6), (8, 7, 9), (10, 8, 9), (10, 9, 10)
t3 : (0, 0, 0), (0, 0, 1), (0, 0, 2), (0, 0, 3), (0, 0, 4), (0, 0, 5), (0, 0, 6), (0, 0, 7), (0, 0, 8), (0, 0, 9)
t4 : (1, 3, 0), (2, 3, 0), (2, 4, 1), (3, 6, 4), (3, 9, 5), (5, 10, 6), (5, 10, 8), (5, 10, 10), (9, 10, 10), (10, 10, 10)
t5 : (0, 0, 0), (0, 0, 0), (0, 0, 0), (6, 3, 7), (6, 5, 7), (7, 7, 7), (7, 8, 7), (8, 8, 7), (8, 8, 9), (8, 8, 9)

C++ Korea
119
relaxed order 의 이해
• 책에 나온 설명
5
note

C++ Korea
120
Store
5
10
note
10 저장 좀

C++ Korea
121
Store
5
10
23
3
1
2
42
note
23 저장 좀
3 저장 좀
1 저장 좀
2 저장 좀
42 저장 좀

C++ Korea
122
Load
5
10
23
3
1
2
42
note
23 저장 좀
3 저장 좀
1 저장 좀
2 저장 좀
42 저장 좀
지금 값 뭐?
어떤 수를 알려 줘야 할까?
?

C++ Korea
123
우리의 입장
• 당연히 42
5
10
23
3
1
2
42
note 이거
찾으시죠?
ㄳ

C++ Korea
124
큐빅맨의 입장
• note 에 쓰여진 값 중 어떤 값이라도 전달 가능
5
10
23
3
1
2
42
note 뭐가 최신인지
내가 어떻게 알아
걍 주는대로 받아
네 中 1개

C++ Korea
125
Reload
5
10
23
3
1
2
42
note
그럼
지금은
값 뭐임?
한번 더, 어떤 수를 알려 줘야 할까?
또?
이전 값

C++ Korea
126
Reload
• 전에 알려줬던 값보다 더 과거의 값을 알려주진 않는다.
5
10
23
3
1
2
42
note
옛날 값 주면
욕 먹겠지?이전 값
中 1개
굳

C++ Korea
127
Listing 5.5 다시 생각해봅시다.
y.load(relaxed)
return true
x.load(relaxed)
return false
x
y
x 와 y는 서로 다른 큐빅맨

C++ Korea
128
memory_order_relaxed
• relaxed order 는 순서 제약이 없으므로 빠르다.
하지만
• 비직관적이고, 다루기 어렵다.
• 반드시 더 강한 ordering 과 함께 사용해야 한다.
“I strongly recommend avoiding relaxed atomic operations
unless they’re absolutely necessary”
– Anthony Williams

C++ Korea
129
대안은 없을까?
• seq_cst 보다 빠르면서
• relaxed 보다 쎈 거

C++ Korea
Memory Ordering memory_order_acquire / _release
130
Memory Ordering
relaxed
acquire-release

C++ Korea
131
Listing 5.7
t1 t2
t4t3
z는 0일 수 있을까?
쓰기용
읽기용

C++ Korea
132
불행히도 relaxed 랑 똑같습니다.
t1 t2
t4t3
선행 관계 아님
x == true 여도,
y == false 일 수 있음
y == true 여도,
x == false 일 수 있음

C++ Korea
133
acquire-release 의 한계
• 서로 다른 스레드에서 write -> 수정 순서를 보지 못한다.
• Listing 5.7의 assert가 안뜨게 하려면 seq_cst 를 써야함

C++ Korea
134
그럼 acquire-release 가 해주는 게 뭔가요

C++ Korea
135
Listing 5.8
여기서는 z가 0이 되지 않습니다.

C++ Korea
136
memory_order_acquire / _release
• release 로 쓴 변수를
• acquire 로 읽으면
• 쓰기와 읽기가 동기화
• 스레드 간 선행 관계가 성립한다.

C++ Korea
137
Listing 5.8 다시보기
y.store(true, release)
y.load(acquire)
return true
x.load(relaxed)
return true
선행관계
성립

C++ Korea
138
acquire-release 의 이해
1p
2p
3p
note
노트는 사실
여러 페이지

C++ Korea
139
release 의미론으로 쓴다는 의미
x
y
x 야.
1페이지에
true 저장해줘.
false
false
true
y 야.
1페이지에
true 저장해줘.
근데 이게
마지막이야
true
true를 쓰고
페이지를 넘김
종이 아깝게

C++ Korea
140
acquire 의미론으로 읽는다는 의미
x
y
false
false
true
true
y 야.
지금 값 뭐니?
(뒷돈을 건네며)
이게
이번 페이지
마지막 값이야

C++ Korea
141
acquire 이후의 relaxed 읽기
x
y
false
false
true
true
x 야.
지금 값 뭐니?
다 알고 왔다.
귀찮게
찾아야 하잖아

C++ Korea
142
memory_order_acquire / _release
• 항상 최신 값을 주는 게 아님
• y 가 true임을 읽었을 때,
그 위에 있던 x.store(true, relaxed) 가 선행되었음을 보장
• 즉, 순서가 뒤바뀌지 않았음을 보장

C++ Korea
143
acquire-release 의 이행성
• a->b, b->c 이므로 a->c
x.store() -> y.store(), y.store() -> y.load(), y.load() -> x.load()
이므로
x.store() -> x.load()

C++ Korea
144
y.load(acquire)
return true
x.load(relaxed)
return true

C++ Korea
145
z.load(acquire)
return true
x.load(relaxed)
return true
y.load(acquire)
return true
z.store(true, release)

C++ Korea
Memory Ordering memory_order_consume / _release
146
memory_order_consume
• 동기화할 데이터는 하나로 충분할 때
• release로 저장된 변수의 데이터 의존성을 다른 스레드로 전달
• 의존성이 없는 변수는 선행관계 x
k = 11;
b = 1;
e = b+10;
a.store(e, release)
x = 0;
while(x = a.load(consume)); // x == e, b == 1 보장
y = x – 10;
x = y + 1;
t = k; // 선행관계 아님
저보다 훠어어얼씬 더 잘 설명해준 슬라이드
http://www.slideshare.net/YiHsiuHsu/introduction-to-memory-order-consume

C++ Korea
Memory Ordering relaxed and acquire-release
147
relaxed 와 acquire / release 비교
• Listing 5.5
• relaxed 일 때
• acquire-release 일 때
왜 둘 다 에러가 안 나지?

C++ Korea
148
relaxed 와 acquire / release 가 차이가 없는 이유
Microsoft : 우리 컴파일러는 volatile 이면
acquire / release 임 ㅋ
ISO : …
https://msdn.microsoft.com/ko-kr/library/12a04hfd.aspx

C++ Korea
149
/volatile:iso 로 바꾸어보자
프로젝트 속성
그런데 이래도 Listing 5.5 는 잘 돕니다.

C++ Korea
150
relaxed 와 acquire / release 가 차이가 없는 이유2
Intel : 우린 일반 변수도 acquire / release 임 ㅋ
ARM : …
ISO : …
MS : 헐 ㅋ 굳 ㅋ

C++ Korea
151
어떤 차이가 있길래?
• Reordering 을 어떻게 하느냐의 차이!
• 그런데 Reordering이 무언가요

C++ Korea
Memory Ordering reordering
152
Reordering 종류
Load Load Load Store
Store Load Store Store

C++ Korea
153
아키텍쳐 별 Reordering
x86은 Store Load 일 때에만 reordering
ARM은 네 경우 모두 reordering
https://en.wikipedia.org/wiki/Memory_ordering

C++ Korea
154
x86-64 에서는?
Intel 64-ia-32 architectures
software developer system programming manual volume 3
x86-64도 Store Load 일 때에만 reordering

C++ Korea
155
이제 이렇게 부릅시다.
인텔은 Store Load 일 때에만 reordering Strong Memory Models
ARM은 네 경우 모두 reordering Weak With Data Dependency Ordering
http://preshing.com/20120930/weak-vs-strong-memory-models/

C++ Korea
156
x86 이나 x86-64 아키텍쳐
intel 이나 amd 같은 PC에서 일반적으로 사용하는 cpu는
acquire-release 이하의 의미론을 사용하는 데
추가적인 명령어가 필요 없다.
(즉, 일반 변수도 acquire-release)
seq_cst 에 약간의 추가적인 store 비용이 들 뿐이다.
하지만 ARM 이나 PowerPC 에서는 차이가 크다.
-Anthony Williams
본문에는 이렇게 설명되어 있습니다.

C++ Korea
157
차이가 얼마나 큼?

C++ Korea
158
Reordering 이랑
C++ Memory Ordering 이랑 무슨 상관인가요?
memory_order_release
memory_order_acquire
memory_order_relaxed

C++ Korea
159
Reordering 과 C++ Memory Ordering 의 상관관계
y.load(acquire)
return true
x.load(relaxed)
return true

C++ Korea
160
y.load(acquire)
return true
x.load(relaxed)
return true
낚이지 마세요.
이렇게는 Store Load
고려 대상이 아닙니다.
스레드가 다르니까요.

C++ Korea
161
y.load(acquire)
return true
x.load(relaxed)
return true

C++ Korea
162
z.load(acquire)
return true
x.load(relaxed)
return true
y.load(acquire)
return true
z.store(true, release)

C++ Korea
163
아직 한 발 남았습니다.
Store Load
x86-64 에서는 Reordering에 의한 버그는 못보나요?

C++ Korea
164
피터슨 알고리즘
http://www.slideshare.net/deview/242-naver2?qid=79a97d1c-4ba8-4c89-bda5-2e1387e6e1e6&v=qf1&b=&from_search=4
http://www.slideshare.net/zzapuno/kgc2013-3?qid=9e511612-d469-47cd-96cd-b6a0a623fd9e&v=qf1&b=&from_search=1

C++ Korea
165
seq_cst 말고는 답이 없는가?
• 우리가 reordering 을 막을 방법은 정녕 없는 것인가요?

C++ Korea
166
memory fence
• 위 연산의 결과가 메모리에 모두 쓰여질 때까지
• 다음 명령어를 실행하지 않는다.

C++ Korea
167
Listing 5.13
• fence를 사용하여 동기화하기
• C++11 : std::atomic_thread_fence()
• (주의) ++a 를 mfence 로 감싼다고 아토믹이 되는 것은 아님

C++ Korea
Summury
168
결론
• Data Race 를 없애기 위해 atomic<T> 을 사용
• 복잡한 알고리즘에는 Lock을 사용
• 성능 향상을 위해 memory ordering 직접 지정
• CPU 아키텍처 별로 고려해야 할 정도가 다름
• fence를 이용해 reordering을 막을 수 있음

C++ Korea
감사합니다.

C++ Korea
Reference
170
http://preshing.com/20120930/weak-vs-strong-memory-models/
http://www.slideshare.net/deview/242-naver2?qid=3b220326-f8fb-4392-9b5f-0efe29d7823c&v=default&b=&from_search=4
http://www.slideshare.net/zzapuno/kgc2013-3?qid=9e511612-d469-47cd-96cd-b6a0a623fd9e&v=qf1&b=&from_search=1
https://en.wikipedia.org/wiki/Memory_ordering
http://en.cppreference.com/w/cpp/atomic/
멀티프로세서 프로그래밍 (The Art of Multiprocessor Programming) – 모리스 헐리히, 니르 샤비트 / 김진욱, 하재승 역
C++ concurrency in action – Anthony Williams
Intel 64-ia-32 architectures software developer system programming manual volume 3

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