하드웨어 동기화 명령어 (Hardware Instructions)

핵심 개념

하드웨어 동기화 명령어는 **원자적(atomic)**으로 실행되어 중간에 인터럽트되지 않는 특수 명령어입니다. 소프트웨어만으로는 현대 아키텍처에서 상호배제 보장이 어려우므로, 하드웨어 수준의 원자적 연산이 필요합니다. 고수준 동기화 도구(Mutex, Semaphore)의 기반이 됩니다.

동작 원리

test_and_set()

// 원자적으로 실행됨
boolean test_and_set(boolean *target) {
    boolean rv = *target;  // 현재 값 읽기
    *target = true;        // true로 설정
    return rv;             // 이전 값 반환
}

compare_and_swap() (CAS)

// 원자적으로 실행됨
int compare_and_swap(int *value, int expected, int new_value) {
    int temp = *value;
    if (*value == expected)
        *value = new_value;  // 예상값과 같을 때만 교체
    return temp;             // 이전 값 반환
}

두 명령어가 동시에 실행되면 하드웨어가 순차적으로 실행되도록 강제합니다.

예시

test_and_set을 이용한 상호배제

boolean lock = false;

do {
    while (test_and_set(&lock))
        ;  // busy wait - lock이 false가 될 때까지

    /* critical section */

    lock = false;

    /* remainder section */
} while (true);

CAS를 이용한 상호배제

int lock = 0;

while (true) {
    while (compare_and_swap(&lock, 0, 1) != 0)
        ;  // busy wait

    /* critical section */

    lock = 0;

    /* remainder section */
}

Bounded Waiting을 보장하는 CAS

boolean waiting[n];  // 모두 false로 초기화
int lock = 0;

while (true) {
    waiting[i] = true;
    key = 1;
    while (waiting[i] && key == 1)
        key = compare_and_swap(&lock, 0, 1);
    waiting[i] = false;

    /* critical section */

    j = (i + 1) % n;
    while ((j != i) && !waiting[j])
        j = (j + 1) % n;

    if (j == i)
        lock = 0;
    else
        waiting[j] = false;  // 다음 프로세스에게 양보

    /* remainder section */
}

Intel x86의 CAS 구현

lock cmpxchg <destination>, <source>
; lock 접두어가 버스를 잠가 원자성 보장

장단점

장점	단점
하드웨어가 원자성 보장	응용 프로그래머가 직접 사용하기 어려움
멀티프로세서에서도 동작	Busy waiting으로 CPU 낭비
고수준 동기화 도구의 기반	단순 CAS는 bounded waiting 미보장

관련 개념

• 임계구역 문제 (Critical Section Problem)
• 원자적 변수 (Atomic Variable)