[C#] 하드웨어 최적화 - 메모리 베리어(Memory Barrier)

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1. 사용하는 이유

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1.1. CPU가 코드 재배치

      

      

      

    
    

      <code />
    
public class Program
    {
        static int x = 0;
        static int y = 0;

        static int r1 = 0;
        static int r2 = 0;

        static void Thread1()
        {
            y = 1;

            r1 = x;
        }

        static void Thread2()
        {
            x = 1;

            r2 = y;
        }
        static void Main(string[] args)
        {

            while (true)
            {
                x = y = r1 =r2 = 0;
                Task task1 = new Task(Thread1);
                Task task2 = new Task(Thread2);

                task1.Start();
                task2.Start();

                Task.WaitAll(task1, task2); // 두 쓰레드가 끝날때까지 대기

                // r1과 r2이 0일때 반복문 탈출
                if (r1 == 0 && r2 == 0)
                {
                    break;
                }
            }
            Console.WriteLine("반복문 탈출");
        }

<출력>

의도와는 다르게 반복문을 탈출했다.

• 절차적으로 실행되면 r1 = x, r2 = y에 의해 무한루프가 일어나야 한다.
  → But, 반복문을 탈출한다.
  
  
• why? CPU가 코드를 재배치하기 때문
  • 코드 간의 의존성이 없다고 판단되면 CPU가 임의적으로 순서를 바꿔서 코드를 실행
    • r1 = x;를 먼저 실행하고 y = 1을 실행한다.
    • r2 = y;를 먼저 실행하고 x = 1을 실행한다.
    • 두 스레드는 병행적으로 진행하기에 x = 1, y = 1보다 r1 =x, r2= y가 먼저 실행되어
      r1과 r2에 0이 할당될 수 있다.
      
      
  • 이러한 의도적이지 않은 오류를 메모리 베리어로 방지 가능
    
    

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1.2. 1. 코드 재배치 억제

• 메모리 베리어 종류
  • Full Memory Barrier(ASM MFENCE)
    • Store/Load 둘 다 막음
    • C# → Thread.MemoryBarrier()
      
      
  • Store Memory Barrier(ASM SFENCE)
    • Store만 막는다.
      
      
  • Load Memory Barrier(ASM LFENCE)
    • Load만 막는다.
      
      

      

      

      

    
    

      <code />
    
namespace ServerCore
{
    public class Program
    {
        static int x = 0;
        static int y = 0;

        static int r1 = 0;
        static int r2 = 0;

        static void Thread1()
        {
            y = 1;


            Thread.MemoryBarrier(); // 이 코드를 기점으로 위 아래의 코드가 바뀌지 않음

            r1 = x;
        }

        static void Thread2()
        {
            x = 1;

            Thread.MemoryBarrier();

            r2 = y;
        }
        static void Main(string[] args)
        {

            while (true)
            {
                x = y = r1 =r2 = 0;
                Task task1 = new Task(Thread1);
                Task task2 = new Task(Thread2);

                task1.Start();
                task2.Start();

                Task.WaitAll(task1, task2); // 두 쓰레드가 끝날때까지 대기

                // r1과 r2이 0일때 반복문 탈출
                if (r1 == 0 && r2 == 0)
                {
                    break;
                }
            }
            Console.WriteLine("반복문 탈출");
        }
    }
}

<출력>

의도한대로 무한루프

• 정상적으로 무한루프 발생
• Thread.MemoryBarrier() 함수를 사용

 

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1.3. 2. 가시성

• Thread.MemoryBarrier()를 해준다는 것은 공용 메모리와 동기화 작업을 해주는 것과 같음

      

      

      

    
    

      <code />
    
static void Thread1()
        {
            y = 1;


            Thread.MemoryBarrier(); // x의 정확한 값을 받기 위해 업데이트(동기화)

            r1 = x;
        }

        static void Thread2()
        {
            x = 1;

            Thread.MemoryBarrier(); // y의 정확한 값을 받기위해 업데이트

            r2 = y;
        }