SpinLock

수업

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🧵 주제

C++에서 SpinLock을 직접 구현하며 멀티스레드 동기화, atomic 연산, compare_exchange_strong 함수의 의미를 이해하고 실전 코드로 활용하는 법 학습

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📘 개념

✅ SpinLock이란?

• SpinLock은 락이 풀릴 때까지 루프를 돌며 기다리는 락이다.
• OS에게 CPU를 넘기지 않고 계속 CPU를 점유한 채 바쁜 대기(busy waiting)를 하며 락을 시도한다.
• 따라서 lock/unlock 사이클이 매우 짧고 충돌이 적은 상황에서 효과적이다.
• 반면, 락이 오래 걸리면 CPU를 무의미하게 소모하므로 매우 비효율적일 수 있다.

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✅ SpinLock의 장단점

항목	장점	단점
CPU 사용	컨텍스트 스위칭이 없으므로 빠름	CPU 점유율이 매우 높음
락 대기	락이 금방 풀릴 때 적합	오래 걸리면 전체 시스템 성능 하락
구조	간단하고 lightweight	대기 중 다른 작업 불가

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✅ 왜 면접에서 자주 나올까?

• SpinLock을 구현해보라고 하는 이유는 멀티스레드 동기화 개념, atomic 연산 이해도, 동기화 오류에 대한 디버깅 능력을 검증할 수 있기 때문.
• 특히 compare_exchange_strong(CAS 연산)에 대한 이해 여부를 보기 위함.

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📚 용어 정리

용어	설명
SpinLock	락이 풀릴 때까지 루프를 돌며 기다리는 락
atomic	멀티스레드 환경에서 원자성 보장을 위한 타입
compare_exchange_strong	조건이 맞으면 값을 바꾸는 CAS 방식 함수
volatile	컴파일러 최적화를 막는 키워드 (하지만 동기화 보장 X)
context switching	스레드 전환 시 레지스터 등 상태 저장/복원 비용

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💻 코드 분석

❌ 잘못된 SpinLock 구현

class SpinLock
{
public:
    void lock()
    {
        while (_locked) { }
        _locked = true;
    }

    void unlock()
    {
        _locked = false;
    }

private:
    bool _locked = false;
};

문제점

• _locked는 bool로 선언되어 원자성 보장이 안 됨 → Race Condition 발생
• while (_locked)과 _locked = true가 분리된 연산 → 동기화 실패 가능
• 컴파일러가 최적화를 해버릴 수도 있음 → 예측 불가한 동작

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✅ 개선된 SpinLock 구현 (atomic + CAS)

class SpinLock
{
private:
    std::atomic<bool> _locked = false;

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

        while (_locked.compare_exchange_strong(expected, desired) == false)
        {
            expected = false; // 중요: 참조로 전달됨 → 실패 시 복구 필수
        }
    }

    void unlock()
    {
        _locked.store(false);
    }
};

핵심 설명

• compare_exchange_strong(expected, desired)는 아래와 같이 동작:

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

• expected는 참조로 전달되며, 실패 시 내부에서 값이 변경되므로 다시 false로 초기화해야 루프가 정상 동작함

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✅ 테스트 코드

int32 sum = 0;
SpinLock spinLock;

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

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

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

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

    std::cout << sum << std::endl; // 항상 0 출력돼야 성공
}

핵심 포인트

• std::lock_guard는 lock()/unlock() 인터페이스만 있으면 동작함
• RAII 패턴으로 예외가 발생해도 lock 자동 해제 → 안전한 구조

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🎯 핵심

• SpinLock은 짧은 락 상황에서 컨텍스트 스위칭을 줄이고 빠르게 동기화할 수 있다.
• 단순 bool 변수로는 절대 안전한 락이 불가능하다 → 반드시 std::atomic 사용.
• compare_exchange_strong 함수의 expected 인자는 참조이므로, 루프마다 expected = false로 초기화해줘야 한다.
• volatile은 최적화만 막을 뿐, 동기화나 원자성을 보장하지 않음.
• 실전에서는 락이 짧을 경우에만 SpinLock을 사용하고, 그렇지 않으면 mutex, condition_variable 등의 대체 도구 사용이 바람직하다.

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