(쓰레드) Spin Lock

공유된 자원에 여러 개의 쓰레드가 동시 접근 하는 문제를 해결하기 위해선 여러가지 방법들이 있다.
첫 째로, Lock이 해제 될 때 까지 무한히 기다리는 방법이 있을 것이며 이것이 오늘 설명할 스핀락의 기조다.
둘 째로 콜백 방식이 있을 것이며
셋 째로 특정 시간 뒤에 다시 찾아가는 방식이 있다.

여러 방식 중 오늘은 첫 번째 방식인 스핀락에 대해 설명하고자 한다.

간단히 그림과 같이 2개의 쓰레드가 공유된 자원에 접근 시, Task A가 먼저 접근하였다고 가정하자.
Task B는 A가 unlock을 할 때 까지 무한히 대기하다가, unlock이 되면 접근하는 구조다.

문제 사항으로는 당연히, Task B는 쓸대 없이 A가 끝날 때 까지 기다려야 하므로 오버헤드가 발생하고
CPU 점유율에 영향을 미친다.

class SpinLock {
public:
	// lock guard에서 소문자로 자동실행하기 때문에 시그니쳐를 맞춰줘야 함.
	void lock() 
	{
		while(_locked)
        {
        
        }
		_locked = true;
	}
	void unlock() 
	{
		_locked = false;
	}
private:
	bool _locked = false;
};

int32 sum = 0;
mutex m;
SpinLock spinLock;
void Add() 
{
	for (int32 i = 0; i < 10'0000; i++)
	{
		lock_guard<SpinLock> guard(spinLock);
		sum++;
	}
}
void Sub() 
{
	for (int32 i = 0; i < 10'0000; i++)
	{
		lock_guard<SpinLock> guard(spinLock);
		sum--;
	}
}
int main()
{
	thread t1(Add);
	thread t2(Sub);
	t1.join();
	t2.join();

	cout << sum << endl;
}

Spin Lock을 직접 구현할 때, 아무 생각없이 위와 같이 작성하면 동기화가 제대로 작동하지 않는다.
이유를 보자면, 서로 동시에 입장하는 경우가 생길 수 있기 때문에, 이럴 땐 Atomic 하게 설계를 해야한다.

하지만 while과 locked를 true로 바꿔주는 부분은 한 줄로 의사코드를 표현할 수 없다.
C++ atomic에선, 이러한 것을 CAS ( Compare - And - Swap ) 을 제공한다.

_locked.compare_exchange_strong()

해당 CAS를 의사코드로 표현하자면 아래와 같다.

	bool expected = false;
	bool desired = true;
	

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

---

class SpinLock {
public:
	void lock() 
	{
		//CAS ( Compare - And  - Swap )
		// 한 번에 실행이 되어야 한다. 두 쓰레드가 동시에 들어와 버리기 때문에.
		bool expected = false;
		bool desired = true;
	
		while (_locked.compare_exchange_strong(expected, desired)== false)
		{
			expected = false;
		}
	
	}
	void unlock() 
	{
		//_locked = false;
		_locked.store(false);
	}
private:
	atomic<bool> _locked = false;
};

하여 전체적인 Spin Lock 코드를 보자면 위와 같이 작성할 수 있다.