Spinlock 과 Blocking lock (w/ chatgpt)

나의 말:

pthread mutex 는 스핀 락 형태야?

ChatGPT의 말:

좋은 질문! 핵심을 찌르는 포인트야. 👏

pthread_mutex가 스핀락인지 아닌지를 이해하려면 내부 동작을 좀 들여다봐야 해. 정답부터 말하자면:

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✅ 정답 요약

pthread_mutex는 기본적으로 "스핀 락"이 아니고, "커널 차원의 블로킹 락"이다.

하지만 특정 설정(pthread_mutexattr_t)으로 "스핀 락처럼" 동작하게 만들 수도 있어.

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🔍 자세한 설명

🔸 1. 기본 pthread_mutex는?

• *기본 설정 (PTHREAD_MUTEX_DEFAULT)**으로 생성한 mutex는:🔹 CPU를 낭비하지 않음. 대신 context switch 비용이 발생함.
• 🔹 락을 획득할 수 없으면 → 커널에 의해 스레드가 sleep 상태로 들어감.

pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

pthread_mutex_lock(&lock);  // 못 얻으면 block (sleep)
...
pthread_mutex_unlock(&lock);

즉, 일반적인 블로킹 락이다.

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🔸 2. 그런데 스핀 락처럼 만들 수는 있어?

Yes! pthread_mutexattr_t를 설정하면 다음과 같은 옵션이 가능해:

🔹 PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP

• GNU/Linux (glibc)에서 제공하는 비표준(non-portable) 옵션.
• 이걸 설정하면 잠깐 동안은 spin하고, 그래도 실패하면 block한다.
• 짧은 critical section을 위해 최적화된 형태. 완전한 spinlock은 아님.

pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP);
pthread_mutex_init(&lock, &attr);

🔹 완전한 spinlock은 pthread_spinlock_t 사용

• POSIX에서는 pthread_spinlock_t 라는 타입도 따로 있어.
• 이건 진짜 100% 스핀락이야 — lock을 못 얻으면 계속 루프를 돌면서 대기.

pthread_spinlock_t spin;
pthread_spin_init(&spin, 0);
pthread_spin_lock(&spin);   // 못 얻으면 계속 spin
...
pthread_spin_unlock(&spin);

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🧠 요약 정리

구분 타입 동작 방식

pthread_mutex_t (default)	블로킹 락	못 얻으면 sleep
pthread_mutex_t + ADAPTIVE_NP	하이브리드	잠깐 spin → sleep
pthread_spinlock_t	진짜 스핀 락	계속 루프 돌며 대기

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🙋 그럼 언제 뭐 써야 돼?

상황 추천 타입

락을 오래 잡는 작업 (디스크 IO, DB)	pthread_mutex_t
짧고 빠른 작업 (메모리 구조 보호 등)	pthread_spinlock_t
락이 잠깐만 걸리는 경우 + 최적화	ADAPTIVE_NP mutex

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궁금한 게 있다면 더 파고들어도 돼!

스핀락이 멀티코어 환경에서 어떤 장단점을 가지는지도 같이 볼래?

나의 말:

좋아 설명해줘

ChatGPT의 말:

좋아! 💪 스핀락이 멀티코어 환경에서 어떻게 동작하고, 그게 어떤 장단점을 가지는지 실전적인 관점에서 쉽게 풀어줄게.

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🔁 스핀락 (Spinlock) 이란?

락을 얻을 때까지 계속 루프를 돌며(wait) 시도하는 락

CPU는 쉬지 않고 "얻었냐? 얻었냐?" 하고 돌고 있음.

while (__sync_lock_test_and_set(&lock, 1)) {
    // 락을 얻지 못했으니 계속 시도 (busy-wait)
}

• 락을 빨리 얻을 수 있으면 → 매우 빠름
• 락이 오래 잡히면 → CPU 낭비 심함

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🔄 멀티코어 환경에서의 특징

멀티코어에서는 여러 스레드가 동시에 같은 메모리에 접근할 수 있기 때문에,

스핀락이 성능에 긍정적인 효과를 주기도, 부정적인 영향을 끼치기도 해.

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✅ 장점 (멀티코어에 적합한 상황)

상황 이유

🔹 락을 짧게만 잡는 경우	컨텍스트 스위치 없이 빠르게 끝낼 수 있음
🔹 커널 모드처럼 context switch 비용이 비싼 경우	커널 락에서 유리 (Linux kernel도 spinlock 많이 씀)
🔹 락을 자주 경쟁하지 않는 경우	락 충돌이 적으면 오히려 더 빠름
🔹 멀티코어에서 CPU가 여유 있는 경우	busy-wait이 큰 문제 안 됨

📌 예: CPU 사이의 공유 카운터 증가, 버퍼 큐 접근 등

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❌ 단점 (멀티코어에서 위험한 상황)

상황 이유

🔸 락을 오래 잡는 경우	모든 경쟁 스레드가 계속 CPU를 낭비함
🔸 코어 수가 부족한 경우	스핀하는 동안 다른 스레드가 실행조차 못함
🔸 락 경합이 심한 경우	캐시 라인 병목(Cache Thrashing) 발생
🔸 단일 CPU 환경 (or Hyperthreading Core 공유)	효율 급격히 떨어짐

📌 예: 락을 잡고 I/O를 한다든가, sleep 등 느린 작업 포함 시 최악

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🧠 캐시 병목 (Cache Coherency 문제)

멀티코어에서 같은 메모리 주소를 여러 코어가 동시에 갱신하려고 하면,

캐시 일관성 프로토콜 (MESI 등) 때문에 성능 저하가 발생함.

 

2025.04.02 - [CS/Operating System] - 멀티코어에서 캐시 일관성 프로토콜. (w/ chat-gpt)

CPU1: lock = 1; (내 캐시에 있음)
CPU2: lock을 보려 함 → CPU1의 캐시 무효화 필요 → BUS 병목

이걸 "false sharing", "cache line bouncing"이라고도 해.

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💡 그래서 실제로는?

현대 시스템에서는 이런 전략을 씀:

📌 Hybrid 락 전략

• 처음에는 spin 잠깐 → 실패하면 sleep
• ⇒ Linux futex, pthread_mutex (adaptive) 등

📌 Queue 기반 락 (예: MCS, CLH)

• 순서를 지켜주는 스핀락 → 캐시 병목 줄임 →  멀티코어 확장성을 위한 Queue기반 Lock (w/ chatgpt)
• ⇒ 고성능 DB, JVM, 커널에서 많이 사용됨

 

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🧪 요약 한 줄

스핀락은 락이 짧게 유지되고, 경쟁이 적고, 코어 여유가 있을 때 성능이 아주 좋지만,

락이 오래 걸리거나 경쟁이 심하면 성능 폭망💥 가능성도 큰 양날의 검이다.