[멀티스레드] 멀티 쓰레드의 성능 확인

Multi thread program에서 thread design만큼 중요한 것이 성능 비교 테스트와 VCS입니다.
이전에 정리했던 것 처럼 thread의 실행 시점 예측은 불가능합니다.
따라서 매번 적용한 코드가 정상적으로 동작하는지 확인해야 합니다.

💡 Multi thread program은 디버깅이 어렵고, 어떤 부분이 문제인지 확인하기 어렵습니다. 따라서 VCS를 통해 정상 작동하던 Version으로 이동 후 재작성하는 것이 안전합니다.

Visual Studio에서는 Debug Mode와 Release Mode가 존재합니다.
Multi thread program의 목적은 오직 성능 향상이기 때문에
오류를 찾기 위해 여러 기능이 함께 실행되는 Debug Mode가 아니라 더 좋은 성능을 보여주는
Release Mode로 실행해야 합니다.

💡 Thread의 증가가 반드시 성능의 증가로 이어지지 않습니다. 스택의 증가로 캐시미스가 증가하고 캐시 적중률이 급격하게 저하되어 성능이 저하될 수 있습니다.

Visual Studio Compiler에서 Multithreading 최적화

volatile이라는 키워드는 C++에서 지원하는 키워드로
컴파일러의 최적화를 방지해서 반드시 메모리를 읽고 변수를 레지스터에 할당하지 않습니다.
그리고 프로그래머가 작성한 코드 그대로 Read/Write의 순서를 지킵니다.

💡 컴파일러의 최적화 여부는 C++코드로는 확인할 수 없습니다. Visual Studio의 경우 This Assembly라는 기능을 사용하여 실제로 컴파일러가 프로그래머의 C++코드를 어떻게 최적화 했는지 Assembly 언어로 확인할 수 있습니다. (Visual studio 는 Multithread를 고려하지 않고 최적화하기 때문에.)

💡 Volatile의 선언 위치에 따라 적용되는 대상이 달라질 수 있습니다.

1. volatile int* value; 의 경우 포인터가 가르키는 메모리가 volatile 입니다. (X → O)
2. int* volatile value; 의 경우 포인터 자체가 volatile 입니다. (O → X)
   

Atomic

Data Race는 여러 쓰레드가 한 공유 메모리에 동시에 접근하여 최소 1개의 수정이 이루어져
발생하는 문제였습니다. 이 문제를 방지하고자 Mutex의 Lock, Unlock을 사용하였지만
unlock을 해주지 않을 경우 다른 쓰레드가 무한히 대기하는 상태가 있을 수 있어 위험합니다.
이 문제를 변수 수준에서 해결하는 방법으로 Atomic 객체가 존재합니다.

Atomic 객체는 동기화 기법을 사용하지 않고 Read/Write를 동시에 원자적으로 처리할 수 있습니다.

atomic<int> sum;

void Add_01()
{
		// += 라는 하나의 Method로 진행하기 때문에 Atomic하게 사용할 수 있습니다.
		sum += 2;
}

void Add_02()
{
		// 대입 연산자를 진행하는 중 다른 쓰레드가 개입할 수 있습니다.
		sum = sum + 2;
}

단, 위의 연산처럼 sum의 연산 방법에 따라 원자적으로 처리가 불가능할 수도 있습니다.

💡 Cache Thrashing과 False Sharing 현상 하나의 데이터가 여러 개의 Cache Line에 걸쳐 최악의 경우
캐시 적중과 미스도 아닌 상태 (데이터의 일부가 잘린채 올라온 상태)가 될 수 있습니다.
해결 방법으로는 C++11의 alignas 기능을 사용하는 방법이 있습니다.

이 문제로 Multi thraed program에서 Data Race만 문제가 아니라는 것을 볼 수 있습니다.
따라서 Thread Design 단계에서 메모리의 위치도 고려 대상입니다.

Atomic programming

1. Programming에서 Atomic의 의미

“원자의” 라는 뜻의 Atomic은 Programming 분야에서 “더 이상 분할이 불가능한 명령어” 라는 의미입니다.
Atomic 개념은 주로 Multithreading에서 Data Race를 방지하면서 공유 데이터의 일관성을 위해 사용됩니다.
Multithreading을 사용하는 프로세스가 발생시킬 수 있는 모든 경우의 수를 프로그래머가 알 수 없기 때문에
Atomic을 사용하는 것이 바람직합니다.

2. 이상적인 Atomic programmings

1. 쓰레드에서 메모리의 접근이 순간적로 실행되면서, 쓰레드의 연산이 겹쳐지지 않습니다.
   
2. 연산의 실행 순서가 정해지면 모든 쓰레드는 동일한 순서로 실행합니다.
   

3. Atomic programming의 현실

1. PC의 메모리 접근 방법은 Atomic이 아닙니다.
   
2. 메모리에 쓴 순서대로 메모리가 수정되지 않습니다.
   (정확히는 메모리에 쓴 순서대로 메모리의 내용이 관측되지 않습니다.)