Rust에서 Memory Ordering: 안전한 동시성과 관련한 지침

동시 프로그래밍에서 메모리 작업 순서를 올바르게 관리하는 것은 프로그램의 정확성을 보장하는 데 매우 중요합니다. Rust는 원자적 연산과 Ordering 열거형을 제공하여 개발자가 멀티 스레드 환경에서 공유 데이터를 안전하고 효율적으로 조작할 수 있도록 합니다. 이 문서에서는 Rust에서 Ordering의 원리와 사용법에 대한 자세한 소개를 제공하여 개발자가 이 강력한 도구를 더 잘 이해하고 활용할 수 있도록 돕는 것을 목표로 합니다.

메모리 순서 지정의 기본 사항

최신 프로세서와 컴파일러는 성능을 최적화하기 위해 명령과 메모리 작업을 재정렬합니다. 이러한 재정렬은 일반적으로 단일 스레드 프로그램에서는 문제를 일으키지 않지만, 제대로 제어하지 않으면 멀티 스레드 환경에서 데이터 경쟁 및 일관성 없는 상태를 초래할 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 메모리 순서 지정 개념이 도입되어 개발자는 원자적 연산에 대한 메모리 순서를 지정하여 동시 환경에서 메모리 액세스의 올바른 동기화를 보장할 수 있습니다.

Rust의 Ordering 열거형

Rust 표준 라이브러리의 Ordering 열거형은 다양한 수준의 메모리 순서 보장을 제공하여 개발자가 특정 필요에 따라 적절한 순서 지정 모델을 선택할 수 있도록 합니다. 다음은 Rust에서 사용할 수 있는 메모리 순서 지정 옵션입니다.

Relaxed

Relaxed는 가장 기본적인 보장을 제공합니다. 단일 원자적 연산의 원자성을 보장하지만 작업 순서를 보장하지 않습니다. 이는 작업의 상대적 순서가 프로그램의 정확성에 영향을 미치지 않는 간단한 계산 또는 상태 표시에 적합합니다.

Acquire 및 Release

Acquire 및 Release는 작업의 부분적 순서를 제어합니다. Acquire는 현재 스레드가 후속 작업을 실행하기 전에 일치하는 Release 작업으로 수행된 수정 사항을 확인하도록 보장합니다. 이는 일반적으로 잠금 및 기타 동기화 기본 요소를 구현하는 데 사용되어 액세스하기 전에 리소스가 올바르게 초기화되도록 합니다.

AcqRel

AcqRel은 Acquire 및 Release의 효과를 결합하여 값을 읽고 수정하는 작업에 적합하며 이러한 작업이 다른 스레드와 상대적으로 정렬되도록 합니다.

SeqCst

SeqCst 또는 순차적 일관성은 가장 강력한 순서 지정 보장을 제공합니다. 이는 모든 스레드가 동일한 순서로 작업을 보도록 보장하므로 전역적으로 일관된 실행 순서가 필요한 시나리오에 적합합니다.

Ordering의 실제 사용

적절한 Ordering을 선택하는 것이 중요합니다. 지나치게 완화된 순서는 프로그램에서 논리적 오류를 초래할 수 있으며, 지나치게 엄격한 순서는 불필요하게 성능을 저하시킬 수 있습니다. 아래는 Ordering 사용을 보여주는 몇 가지 Rust 코드 예제입니다.

예제 1: 멀티 스레드 환경에서 순서가 지정된 액세스에 Relaxed 사용

이 예제에서는 멀티 스레드 환경에서 간단한 계산 작업에 Relaxed 순서를 사용하는 방법을 보여줍니다.

use std::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering};
use std::thread;

let counter = AtomicUsize::new(0);

thread::spawn(move || {
    counter.fetch_add(1, Ordering::Relaxed);
}).join().unwrap();

println!("Counter: {}", counter.load(Ordering::Relaxed));

• 여기서 AtomicUsize 유형의 원자적 카운터 counter가 생성되고 0으로 초기화됩니다.
• thread::spawn을 사용하여 새 스레드가 생성되고, 이 스레드에서 카운터에 대해 fetch_add 작업이 수행되어 값이 1씩 증가합니다.
• Ordering::Relaxed는 증가 작업이 원자적으로 수행되도록 보장하지만 작업 순서를 보장하지 않습니다. 즉, 여러 스레드가 counter에서 fetch_add를 동시에 수행하는 경우 모든 작업이 안전하게 완료되지만 실행 순서는 예측할 수 없습니다.
• Relaxed는 작업의 특정 순서가 아닌 최종 개수만 신경 쓰는 간단한 계산 시나리오에 적합합니다.

예제 2: Acquire 및 Release를 사용하여 데이터 액세스 동기화

이 예제에서는 Acquire 및 Release를 사용하여 두 스레드 간의 데이터 액세스를 동기화하는 방법을 보여줍니다.

use std::sync::{Arc, atomic::{AtomicBool, Ordering}};
use std::thread;

let data_ready = Arc::new(AtomicBool::new(false));
let data_ready_clone = Arc::clone(&data_ready);

// 생산자 스레드
thread::spawn(move || {
    // 데이터 준비
    // ...
    data_ready_clone.store(true, Ordering::Release);
});

// 소비자 스레드
thread::spawn(move || {
    while !data_ready.load(Ordering::Acquire) {
        // 데이터가 준비될 때까지 대기
    }
    // 생산자가 준비한 데이터에 안전하게 액세스
});

• 여기서 데이터 준비 여부를 나타내는 AtomicBool 플래그 data_ready가 false로 초기화되어 생성됩니다.
• Arc는 여러 스레드 간에 data_ready를 안전하게 공유하는 데 사용됩니다.
• 생산자 스레드는 데이터를 준비한 다음 Ordering::Release와 함께 store 메서드를 사용하여 data_ready를 true로 업데이트하여 데이터가 준비되었음을 나타냅니다.
• 소비자 스레드는 값이 true가 될 때까지 루프에서 Ordering::Acquire와 함께 load 메서드를 사용하여 data_ready를 계속 확인합니다.
  • 여기서 Acquire 및 Release는 함께 사용하여 data_ready를 true로 설정하기 전에 생산자가 수행한 모든 작업이 준비된 데이터에 액세스하기 전에 소비자 스레드에 표시되도록 합니다.

예제 3: 읽기-수정-쓰기 작업에 AcqRel 사용

이 예제에서는 읽기-수정-쓰기 작업 중에 올바른 동기화를 보장하기 위해 AcqRel을 사용하는 방법을 보여줍니다.

use std::sync::{Arc, atomic::{AtomicUsize, Ordering}};
use std::thread;

let some_value = Arc::new(AtomicUsize::new(0));
let some_value_clone = Arc::clone(&some_value);

// 수정 스레드
thread::spawn(move || {
    // 여기서 `fetch_add`는 값을 읽고 수정하므로 `AcqRel`이 사용됩니다.
    some_value_clone.fetch_add(1, Ordering::AcqRel);
}).join().unwrap();

println!("some_value: {}", some_value.load(Ordering::SeqCst));

• AcqRel은 데이터를 읽고(획득) 수정(해제)하는 작업에 적합한 Acquire와 Release의 조합입니다.
• 이 예에서 fetch_add는 읽기-수정-쓰기(RMW) 작업입니다. 먼저 some_value의 현재 값을 읽은 다음 1씩 증가시키고 마지막으로 새 값을 다시 씁니다. 이 작업은 다음을 보장합니다.
  • 읽기 값은 최신 값이며, 이는 이전의 모든 수정 사항(다른 스레드에서 수행되었을 수 있음)이 현재 스레드에 표시됨을 의미합니다(획득 의미 체계).
  • some_value에 대한 수정 사항은 다른 스레드에 즉시 표시됩니다(해제 의미 체계).
• AcqRel을 사용하면 다음이 보장됩니다.
  • fetch_add 이전의 읽기 또는 쓰기 작업은 그 뒤로 재정렬되지 않습니다.
  • fetch_add 이후의 읽기 또는 쓰기 작업은 그 앞으로 재정렬되지 않습니다.
  • 이는 some_value를 수정할 때 올바른 동기화를 보장합니다.

예제 4: 전역 순서 지정을 보장하기 위해 SeqCst 사용

이 예제에서는 작업의 전역적으로 일관된 순서를 보장하기 위해 SeqCst를 사용하는 방법을 보여줍니다.

use std::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering};
use std::thread;

let counter = AtomicUsize::new(0);

thread::spawn(move || {
    counter.fetch_add(1, Ordering::SeqCst);
}).join().unwrap();

println!("Counter: {}", counter.load(Ordering::SeqCst));

• 예제 1과 마찬가지로 이것은 카운터에서 원자적 증가 작업을 수행합니다.
• 차이점은 여기에서 Ordering::SeqCst가 사용된다는 것입니다. SeqCst는 가장 엄격한 메모리 순서 지정으로 개별 작업의 원자성뿐만 아니라 전역적으로 일관된 실행 순서를 보장합니다.
• SeqCst는 다음과 같은 강력한 일관성이 필요한 경우에만 사용해야 합니다.
  • 시간 동기화,
  • 멀티플레이어 게임의 동기화,
  • 상태 머신 동기화 등
• SeqCst를 사용하는 경우 모든 스레드의 모든 SeqCst 작업이 단일한 전역적으로 합의된 순서로 실행되는 것처럼 보입니다. 이는 작업의 정확한 순서를 유지해야 하는 시나리오에서 유용합니다.

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