Test And Set(TAS) 명령어

Test And Set

Test And Set 명령어는 락을 사용하지 않는 기본적인 원자함수이며,
여느 원자함수가 그렇듯이 CPU 레벨에서 지원한다.
검사와 지정을 원자성을 가지고 수행한다.

bool test_and_set(bool& flag);

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동작 내용

• 주어진 불리언 값의 현재 값을 반환하고,
• 그 불리언 값을 true 로 덮어쓴다.

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반환 정보

• true : 플래그가 원래 true 일 때.
• false : 플래그가 원래 false 일 때. ( flag = true 명령도 동시에 일어남)

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구현

기본 구현

기본적인 구현은 다음과 같으며,

매커니즘을 설명하기 위한 것 뿐이지 실제로 적용가능한 함수는 아니다.

중간에 문맥교환이 발생할 수 있기 때문이다.

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아래는 간략한 상태도이다.

한번 세트된 플래그는 계속해서 true 만을 반환하지만,

재사용하고 싶다면 아래처럼 명시적으로 false 로 덮어쓰면 된다.

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C++11 구현

test_and_set 명령어는 C++11에서 추가되었으며,

원자계 불리언 타입의 특화형인 atomic_flag 의 멤버 메소드로 구현되었다.

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아래는 싱글 쓰레드에서의 예제이다.

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조금 설명을 덧붙여보자면,

flag 의 현재상태가 false 인 상황에서만 if문이 실행되므로,

• i == 0
• i == 6 # i == 5 에서 clear 가 발생.

위의 두 차례에서 Hello! 가 출력된다.

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응용

스핀락

test_and_set 의 성질을 활용하여 SpinLock을 구현할 수 있다.

다음 코드를 살펴보자.

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제일먼저 test_and_set을 실행한 쓰레드만 반복문을 빠져나올 수 있는데,

이외의 다른 쓰레드는 clear 가 발생될 때 까지 반복문에 갇혀서 대기하게 된다.

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즉, while을 빠져나온 쓰레드는 프로세스 내에서 1개만 존재하며,

상호배제 원리에 의하여 while 이하에 임계영역이 형성된다.

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아래의 실행결과에서 동시에 while 문장을 빠져나온 쓰레드 쌍이 존재하지 않는 것에 주목하자.

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실행결과

매 실행마다 달라질 수 있다.

0 enter ciritical section.

0 release lock.

1 enter ciritical section.

1 release lock.

4 enter ciritical section.

4 release lock.

2 enter ciritical section.

2 release lock.

3 enter ciritical section.

3 release lock.

done

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카운터

스핀락을 구현했다면 원자성을 가지는 카운터를 만드는 것도 쉽다.

먼저 쓰레드에 안전하지 않은 버전부터 살펴보자.

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10000 개의 쓰레드가 하나의 카운터에 대하여 개별적으로 10000 번씩 증가시킬 것 이다.

그러므로 카운터의 최종값은 10000 * 10000 이 되어야 한다.

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원하지 않은 값이 나온 이유는 명백하고 단순하다.

같은 값에 대해 v+=1 을 수행한 쓰레드 쌍이 존재하기 때문이다.

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예를 들어 v = 100 인 상태에서,

이미 어떤 쓰레드가 v = 100 + 1 으로 갱신중하려 함에도 불구하고,

v = 100 + 1 로 갱신하려는 다른 쓰레드가 있었기에 발생한 것 이다.

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Test And Set 으로 문제를 해결할 수 있는 키 포인트는 간단하다.

값을 증가시키기 전에 한 쓰레드만 값 증가시키도록 순서를 직렬화 하는 것이다.

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다음은 위 포인트를 적용하여 만든 쓰레드 세이프한 버전이다.