Sleep

수업

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🧵 주제

SpinLock 개선을 위한 Sleep 및 Yield 기반 Lock 구현과 OS 레벨 스케줄링/문맥 교환 구조의 실전 이해

이 글은 기존 SpinLock 방식의 한계를 극복하기 위해 sleep_for, yield를 활용한 Lock 대기 전략을 제안한다. CPU 자원을 낭비하지 않으면서도 커널과의 협조를 통해 효율적으로 재진입 가능한 Lock을 구현하며, 이 과정에서 발생하는 system call, context switching, time slice 개념을 OS 관점에서 완전하게 설명한다.

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📘 개념

✅ 기존 SpinLock의 한계

• while (_locked) 루프를 계속 돌며 Lock을 시도 → 락을 못 얻는 동안에도 CPU 점유
• 특히 락이 오래 유지될 경우 CPU 자원을 심각하게 낭비
• 서버 등 고성능 시스템에서는 이런 방식이 병목을 초래할 수 있음

✅ Sleep/ Yield 기반 전략

• 실패 시 잠시 기다렸다가 다시 Lock을 시도
• 이 기다림은 sleep_for() 또는 yield()로 구현되며 실행권을 커널에 반환
• 이 과정을 통해 CPU는 다른 작업을 수행할 수 있으며, 컨텍스트 스위칭이 발생

✅ Time Slice란?

• 운영체제가 스레드에게 "너 이만큼 시간만 CPU 써!" 하고 주는 실행 시간 쿠폰
• 이 Time Slice를 다 쓰거나, sleep/yield 등으로 스스로 포기하면 커널이 실행권 회수

✅ 자발적 문맥 교환 (Context Switching)

• 스레드가 스스로 실행을 멈추고 커널에 제어를 넘기는 행위
• sleep, yield, system call은 모두 자발적 문맥 교환을 유발
• 커널은 다른 스레드를 고르고, 현재 스레드는 준비(ready) 상태로 대기

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📚 용어 정리

용어	의미
SpinLock	락을 얻을 때까지 무한 루프 돌며 기다리는 방식
sleep_for(nms)	지정한 시간 동안 스레드를 block 상태로 만들고 커널에 실행권을 넘김
yield()	현재 스레드가 실행권을 반납하고 준비 큐로 이동 (sleep_for(0ms)와 동일 효과)
Time Slice	OS가 스레드에게 준 CPU 사용 시간
Context Switching	실행 중인 스레드를 중단하고 다른 스레드로 전환
System Call	유저 모드에서 커널 기능 요청 시 사용하는 인터페이스

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💻 코드 분석

✅ 개선된 SpinLock 구현

class SpinLock
{
public:
	void lock()
	{
		bool expected = false;
		bool desired = true;

		while (_locked.compare_exchange_strong(expected, desired) == false)
		{
			expected = false;

			// 이 스레드는 락을 못 얻었으니 실행권을 커널에게 반납
			this_thread::sleep_for(0ms);  // 또는 this_thread::yield();
		}
	}

	void unlock()
	{
		_locked.store(false); // 락 해제
	}

private:
	atomic<bool> _locked = false;
};

🔍 설명

• compare_exchange_strong()는 CAS(Compare-And-Swap) 연산으로 Lock을 얻는다
• 실패 시 expected는 참조로 전달되기 때문에 false로 다시 초기화해야 한다
• sleep_for(0ms) 또는 yield()를 통해 스레드는 자발적으로 실행권을 커널에게 넘긴다
• 이 구조는 불필요한 CPU 점유를 피할 수 있는 매우 중요한 최적화

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✅ 테스트 코드

int32 sum = 0;
SpinLock spinLock;

void Add()
{
	for (int32 i = 0; i < 100000; i++)
	{
		lock_guard<SpinLock> guard(spinLock);
		sum++;
	}
}

void Sub()
{
	for (int32 i = 0; i < 100000; i++)
	{
		lock_guard<SpinLock> guard(spinLock);
		sum--;
	}
}

int main()
{
	thread t1(Add);
	thread t2(Sub);

	t1.join();
	t2.join();

	cout << sum << endl; // 항상 0이 되어야 정확히 동기화됨
}

• lock_guard는 lock()과 unlock()을 자동으로 호출하는 RAII 객체
• SpinLock이 제대로 동작했다면, 두 스레드의 합산/감산은 정확히 0을 반환

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📊 그림 및 비유 해석

🍜 ROOKISS의 식당 비유

• 스레드 = 직원, 커널 = 식당 관리자, 영혼 = CPU
• Time Slice = 쿠폰처럼 지급
• 스레드는 쿠폰(Time Slice)을 다 쓰면 커널에게 반납하고 다시 대기
• sleep은 일단 자리로 돌아갔다가 다시 오는 전략 (랜덤 메타)

🧠 유저모드 ↔ 커널모드 전환 구조

• cout, sleep, 입출력 등은 모두 커널 리소스 요청 → system call 발생
• 유저 스레드 → system call → 커널 → block → ready → 재실행 (upcall)
• 이 과정은 컨텍스트 스위칭이며, 반드시 비용이 수반됨

🚦 스레드 상태 전이 다이어그램

• 준비 → 실행 → 대기 → 준비 → 실행 ... 반복
• sleep은 대기 상태로 만들고, 타이머가 만료되면 준비 상태로 복귀
• yield는 현재 타임 슬라이스를 반납하고 바로 준비 상태로 이동

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🎯 핵심 요약

• SpinLock의 무한 루프는 CPU 자원을 과도하게 점유 → Sleep을 사용하면 개선 가능
• sleep_for와 yield는 커널 진입을 유도하고 자발적 문맥 교환을 발생시킨다
• sleep_for(0ms)와 yield()는 의미상 거의 같다 → 실행권 포기
• compare_exchange_strong에서 expected는 항상 루프 내에서 초기화해야 재시도 가능
• Sleep 사용 시 시스템 콜 발생 → 커널모드 전환 → context switching → 비용 발생
• 빠르게 돌아야 할 로직(예: 게임 루프, 렌더링, 서버 입출력 등)에는 sleep, system call을 최소화해야 한다

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