[C#] 메모리 베리어

이 글은 Rookiss님의 [C#과 유니티로 만드는 MMORPG 게임 개발 시리즈] Part4: 게임 서버를 보고 헷갈리는 부분 위주로 정리한 글입니다. 틀리거나 부족한 부분이 있을 수 있습니다.

멀티 쓰레드에서 하드웨어적 문제

싱글 쓰레드 환경에서는 문제되지 않던 코드가 멀티 쓰레드 환경에서 문제가 발생하는 경우는 매우 잦다.
이중 한 가지는 바로 하드웨어적 최적화와 관련되어 있다.

먼저 다음의 코드를 보자. 밑의 코드는 x y r1 r2의 정적 변수들을 가지고 있으며 각각 두 개의 쓰레드에서 y에 1을 Store하고 x를 Load하여 r1에 저장, x에 1을 Store하고 y를 Load하여 r2에 저장의 기능을 수행한다.

메인 함수에서는 무한 루프를 돌며 두 쓰레드를 실행하고 r1과 r2모두 0일 경우 루프를 빠져나온다.

internal class Program
{
    static int x = 0;
    static int y = 0;
    static int r1 = 0;
    static int r2 = 0;

    static void Thread_1()
    {
        y = 1;          // Store y

        r1 = x;         // Load x
    }

    static void Thread_2()
    {
        x = 1;          // Store x

        r2 = y;         // Load y
    }

    static void Main(string[] args)
    {
        int count = 0;
        while (true)
        {
            count++;
            x = y = r1 = r2 = 0;

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

            Task.WaitAll(t1, t2);

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

        Console.WriteLine($"{count}번 만에 빠져나옴");
    }
}

이 코드에서 경우의 수를 따져봐도 r1과 r2가 동시에 0이되는 상황은 보이지 않는다. 그러므로 정상적인 상황이라면 메인 함수는 영원히 끝나지 않을 것이다.

하지만 실행해보면 그냥 끝나버리게 된다.

이러한 문제가 발생하는 이유는 이제 CPU가 의존성이 없어보이는 명령어는 최적화를 위해 순서를 뒤바꿔서 실행하게 된다.

위 코드의 경우에는 두 개의 쓰레드가 있는데, CPU가 보기에 각 쓰레드의 코드들은 서로 의존성이 없다고 판단되어 순서가 뒤바껴 실행이 될 수 있다.

그래서 만약 이런 식으로 뒤집히게 되고

// 순서가 마음대로 바뀜
static void Thread_1()
{
    r1 = x;         // Load x
    y = 1;          // Store y
}

static void Thread_2()
{
    r2 = y;         // Load y
    x = 1;          // Store x
}

쓰레드의 명령어가 R1 = X
R2 = Y
X = 1
Y = 1

이런 순서로 실행된다면 R1과 R2가 동시에 0이되어 루프를 빠져나가게 된다.

메모리 베리어 사용

이렇게 순서가 뒤집히는 문제는 메모리 베리어를 사용함으로 예방할 수 있다.

internal class Program
{
    static int x = 0;
    static int y = 0;
    static int r1 = 0;
    static int r2 = 0;

    static void Thread_1()
    {
        y = 1;          // Store y

        // 메모리 베리어
        Thread.MemoryBarrier();

        r1 = x;         // Load x
    }

    static void Thread_2()
    {
        x = 1;          // Store x

        // 메모리 베리어
        Thread.MemoryBarrier();

        r2 = y;         // Load y
    }

    static void Main(string[] args)
    {
        int count = 0;
        while (true)
        {
            count++;
            x = y = r1 = r2 = 0;

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

            Task.WaitAll(t1, t2);

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

        Console.WriteLine($"{count}번 만에 빠져나옴");
    }
}

이렇게 하면 루프를 빠져나가지 못하고 영원히 순회한다.

메모리 베리어의 가시성

메모리 베리어는 코드 재배치를 억제하기도 하지만 가시성을 보장하기도 한다.

여기서 말하는 가시성이란 공유 변수에 대한 스레드 간의 접근 문제를 말한다.

메모리 베리어가 실행될 때, 공유 변수값을 수정하였다면 수정한 값을 저장하고, 공유 변수가 다른 스레드에서 수정 되었다면 그 수정된 값을 받아오게 된다. 그러므로 여러 스레드간에 공유 변수가 같은 값을 가지게 된다.

위에 예시로 든 코드의 쓰레드 부분을 보면

먼저 Thread_1에서 y값이 1로 수정되고 메모리 베리어가 호출된다. 이렇게 되면 y값이 바뀐 내용이 실제로 메모리에 입력되며, 또한 x값이 바뀌었다면 그 값도 갱신하므로 바로 밑에서 x가 사용될 때 최신의 x값이 사용되게 된다.

static void Thread_1()
{
    y = 1;          // Store y

    // 메모리 베리어
    // y값이 1로 변함을 메모리에 저장
    // 동시에 최신의 x값을 가져옴
    Thread.MemoryBarrier();

    r1 = x;         // Load x
}

static void Thread_2()
{
    x = 1;          // Store x

    // 메모리 베리어
    // x값이 1로 변함을 메모리에 저장
    // 동시에 최신의 y값을 가져옴
    Thread.MemoryBarrier();

    r2 = y;         // Load y
}

결론

메모리 베리어가 하는 역할은 크게 두 가지다.

1. 코드 재배치를 억제한다.
2. 가시성(공유 변수간의 접근 문제)을 보장한다.