1NOTE: 2This is a version of Documentation/memory-barriers.txt translated into Korean. 3This document is maintained by SeongJae Park <sj38.park@gmail.com>. 4If you find any difference between this document and the original file or 5a problem with the translation, please contact the maintainer of this file. 6 7Please also note that the purpose of this file is to be easier to 8read for non English (read: Korean) speakers and is not intended as 9a fork. So if you have any comments or updates for this file please 10update the original English file first. The English version is 11definitive, and readers should look there if they have any doubt. 12 13=================================== 14이 문서는 15Documentation/memory-barriers.txt 16의 한글 번역입니다. 17 18역자： 박성재 <sj38.park@gmail.com> 19=================================== 20 21 22 ========================= 23 리눅스 커널 메모리 배리어 24 ========================= 25 26저자: David Howells <dhowells@redhat.com> 27 Paul E. McKenney <paulmck@linux.ibm.com> 28 Will Deacon <will.deacon@arm.com> 29 Peter Zijlstra <peterz@infradead.org> 30 31======== 32면책조항 33======== 34 35이 문서는 명세서가 아닙니다; 이 문서는 완벽하지 않은데, 간결성을 위해 의도된 36부분도 있고, 의도하진 않았지만 사람에 의해 쓰였다보니 불완전한 부분도 있습니다. 37이 문서는 리눅스에서 제공하는 다양한 메모리 배리어들을 사용하기 위한 38안내서입니다만, 뭔가 이상하다 싶으면 (그런게 많을 겁니다) 질문을 부탁드립니다. 39일부 이상한 점들은 공식적인 메모리 일관성 모델과 tools/memory-model/ 에 있는 40관련 문서를 참고해서 해결될 수 있을 겁니다. 그러나, 이 메모리 모델조차도 그 41관리자들의 의견의 집합으로 봐야지, 절대 옳은 예언자로 신봉해선 안될 겁니다. 42 43다시 말하지만, 이 문서는 리눅스가 하드웨어에 기대하는 사항에 대한 명세서가 44아닙니다. 45 46이 문서의 목적은 두가지입니다: 47 48 (1) 어떤 특정 배리어에 대해 기대할 수 있는 최소한의 기능을 명세하기 위해서, 49 그리고 50 51 (2) 사용 가능한 배리어들에 대해 어떻게 사용해야 하는지에 대한 안내를 제공하기 52 위해서. 53 54어떤 아키텍쳐는 특정한 배리어들에 대해서는 여기서 이야기하는 최소한의 55요구사항들보다 많은 기능을 제공할 수도 있습니다만, 여기서 이야기하는 56요구사항들을 충족하지 않는 아키텍쳐가 있다면 그 아키텍쳐가 잘못된 것이란 점을 57알아두시기 바랍니다. 58 59또한, 특정 아키텍쳐에서 일부 배리어는 해당 아키텍쳐의 특수한 동작 방식으로 인해 60해당 배리어의 명시적 사용이 불필요해서 no-op 이 될수도 있음을 알아두시기 61바랍니다. 62 63역자: 본 번역 역시 완벽하지 않은데, 이 역시 부분적으로는 의도된 것이기도 64합니다. 여타 기술 문서들이 그렇듯 완벽한 이해를 위해서는 번역문과 원문을 함께 65읽으시되 번역문을 하나의 가이드로 활용하시길 추천드리며, 발견되는 오역 등에 66대해서는 언제든 의견을 부탁드립니다. 과한 번역으로 인한 오해를 최소화하기 위해 67애매한 부분이 있을 경우에는 어색함이 있더라도 원래의 용어를 차용합니다. 68 69 70===== 71목차: 72===== 73 74 (*) 추상 메모리 액세스 모델. 75 76 - 디바이스 오퍼레이션. 77 - 보장사항. 78 79 (*) 메모리 배리어란 무엇인가? 80 81 - 메모리 배리어의 종류. 82 - 메모리 배리어에 대해 가정해선 안될 것. 83 - 데이터 의존성 배리어 (역사적). 84 - 컨트롤 의존성. 85 - SMP 배리어 짝맞추기. 86 - 메모리 배리어 시퀀스의 예. 87 - 읽기 메모리 배리어 vs 로드 예측. 88 - Multicopy 원자성. 89 90 (*) 명시적 커널 배리어. 91 92 - 컴파일러 배리어. 93 - CPU 메모리 배리어. 94 - MMIO 쓰기 배리어. 95 96 (*) 암묵적 커널 메모리 배리어. 97 98 - 락 Acquisition 함수. 99 - 인터럽트 비활성화 함수. 100 - 슬립과 웨이크업 함수. 101 - 그외의 함수들. 102 103 (*) CPU 간 ACQUIRING 배리어의 효과. 104 105 - Acquire vs 메모리 액세스. 106 - Acquire vs I/O 액세스. 107 108 (*) 메모리 배리어가 필요한 곳 109 110 - 프로세서간 상호 작용. 111 - 어토믹 오퍼레이션. 112 - 디바이스 액세스. 113 - 인터럽트. 114 115 (*) 커널 I/O 배리어의 효과. 116 117 (*) 가정되는 가장 완화된 실행 순서 모델. 118 119 (*) CPU 캐시의 영향. 120 121 - 캐시 일관성. 122 - 캐시 일관성 vs DMA. 123 - 캐시 일관성 vs MMIO. 124 125 (*) CPU 들이 저지르는 일들. 126 127 - 그리고, Alpha 가 있다. 128 - 가상 머신 게스트. 129 130 (*) 사용 예. 131 132 - 순환식 버퍼. 133 134 (*) 참고 문헌. 135 136 137======================= 138추상 메모리 액세스 모델 139======================= 140 141다음과 같이 추상화된 시스템 모델을 생각해 봅시다: 142 143 : : 144 : : 145 : : 146 +-------+ : +--------+ : +-------+ 147 | | : | | : | | 148 | | : | | : | | 149 | CPU 1 |<----->| Memory |<----->| CPU 2 | 150 | | : | | : | | 151 | | : | | : | | 152 +-------+ : +--------+ : +-------+ 153 ^ : ^ : ^ 154 | : | : | 155 | : | : | 156 | : v : | 157 | : +--------+ : | 158 | : | | : | 159 | : | | : | 160 +---------->| Device |<----------+ 161 : | | : 162 : | | : 163 : +--------+ : 164 : : 165 166프로그램은 여러 메모리 액세스 오퍼레이션을 발생시키고, 각각의 CPU 는 그런 167프로그램들을 실행합니다. 추상화된 CPU 모델에서 메모리 오퍼레이션들의 순서는 168매우 완화되어 있고, CPU 는 프로그램이 인과관계를 어기지 않는 상태로 관리된다고 169보일 수만 있다면 메모리 오퍼레이션을 자신이 원하는 어떤 순서대로든 재배치해 170동작시킬 수 있습니다. 비슷하게, 컴파일러 또한 프로그램의 정상적 동작을 해치지 171않는 한도 내에서는 어떤 순서로든 자신이 원하는 대로 인스트럭션을 재배치 할 수 172있습니다. 173 174따라서 위의 다이어그램에서 한 CPU가 동작시키는 메모리 오퍼레이션이 만들어내는 175변화는 해당 오퍼레이션이 CPU 와 시스템의 다른 부분들 사이의 인터페이스(점선)를 176지나가면서 시스템의 나머지 부분들에 인지됩니다. 177 178 179예를 들어, 다음의 일련의 이벤트들을 생각해 봅시다: 180 181 CPU 1 CPU 2 182 =============== =============== 183 { A == 1; B == 2 } 184 A = 3; x = B; 185 B = 4; y = A; 186 187다이어그램의 가운데에 위치한 메모리 시스템에 보여지게 되는 액세스들은 다음의 총 18824개의 조합으로 재구성될 수 있습니다: 189 190 STORE A=3, STORE B=4, y=LOAD A->3, x=LOAD B->4 191 STORE A=3, STORE B=4, x=LOAD B->4, y=LOAD A->3 192 STORE A=3, y=LOAD A->3, STORE B=4, x=LOAD B->4 193 STORE A=3, y=LOAD A->3, x=LOAD B->2, STORE B=4 194 STORE A=3, x=LOAD B->2, STORE B=4, y=LOAD A->3 195 STORE A=3, x=LOAD B->2, y=LOAD A->3, STORE B=4 196 STORE B=4, STORE A=3, y=LOAD A->3, x=LOAD B->4 197 STORE B=4, ... 198 ... 199 200따라서 다음의 네가지 조합의 값들이 나올 수 있습니다: 201 202 x == 2, y == 1 203 x == 2, y == 3 204 x == 4, y == 1 205 x == 4, y == 3 206 207 208한발 더 나아가서, 한 CPU 가 메모리 시스템에 반영한 스토어 오퍼레이션들의 결과는 209다른 CPU 에서의 로드 오퍼레이션을 통해 인지되는데, 이 때 스토어가 반영된 순서와 210다른 순서로 인지될 수도 있습니다. 211 212 213예로, 아래의 일련의 이벤트들을 생각해 봅시다: 214 215 CPU 1 CPU 2 216 =============== =============== 217 { A == 1, B == 2, C == 3, P == &A, Q == &C } 218 B = 4; Q = P; 219 P = &B D = *Q; 220 221D 로 읽혀지는 값은 CPU 2 에서 P 로부터 읽혀진 주소값에 의존적이기 때문에 여기엔 222분명한 데이터 의존성이 있습니다. 하지만 이 이벤트들의 실행 결과로는 아래의 223결과들이 모두 나타날 수 있습니다: 224 225 (Q == &A) and (D == 1) 226 (Q == &B) and (D == 2) 227 (Q == &B) and (D == 4) 228 229CPU 2 는 *Q 의 로드를 요청하기 전에 P 를 Q 에 넣기 때문에 D 에 C 를 집어넣는 230일은 없음을 알아두세요. 231 232 233디바이스 오퍼레이션 234------------------- 235 236일부 디바이스는 자신의 컨트롤 인터페이스를 메모리의 특정 영역으로 매핑해서 237제공하는데(Memory mapped I/O), 해당 컨트롤 레지스터에 접근하는 순서는 매우 238중요합니다. 예를 들어, 어드레스 포트 레지스터 (A) 와 데이터 포트 레지스터 (D) 239를 통해 접근되는 내부 레지스터 집합을 갖는 이더넷 카드를 생각해 봅시다. 내부의 2405번 레지스터를 읽기 위해 다음의 코드가 사용될 수 있습니다: 241 242 *A = 5; 243 x = *D; 244 245하지만, 이건 다음의 두 조합 중 하나로 만들어질 수 있습니다: 246 247 STORE *A = 5, x = LOAD *D 248 x = LOAD *D, STORE *A = 5 249 250두번째 조합은 데이터를 읽어온 _후에_ 주소를 설정하므로, 오동작을 일으킬 겁니다. 251 252 253보장사항 254-------- 255 256CPU 에게 기대할 수 있는 최소한의 보장사항 몇가지가 있습니다: 257 258 (*) 어떤 CPU 든, 의존성이 존재하는 메모리 액세스들은 해당 CPU 자신에게 259 있어서는 순서대로 메모리 시스템에 수행 요청됩니다. 즉, 다음에 대해서: 260 261 Q = READ_ONCE(P); D = READ_ONCE(*Q); 262 263 CPU 는 다음과 같은 메모리 오퍼레이션 시퀀스를 수행 요청합니다: 264 265 Q = LOAD P, D = LOAD *Q 266 267 그리고 그 시퀀스 내에서의 순서는 항상 지켜집니다. 하지만, DEC Alpha 에서 268 READ_ONCE() 는 메모리 배리어 명령도 내게 되어 있어서, DEC Alpha CPU 는 269 다음과 같은 메모리 오퍼레이션들을 내놓게 됩니다: 270 271 Q = LOAD P, MEMORY_BARRIER, D = LOAD *Q, MEMORY_BARRIER 272 273 DEC Alpha 에서 수행되든 아니든, READ_ONCE() 는 컴파일러로부터의 악영향 274 또한 제거합니다. 275 276 (*) 특정 CPU 내에서 겹치는 영역의 메모리에 행해지는 로드와 스토어 들은 해당 277 CPU 안에서는 순서가 바뀌지 않은 것으로 보여집니다. 즉, 다음에 대해서: 278 279 a = READ_ONCE(*X); WRITE_ONCE(*X, b); 280 281 CPU 는 다음의 메모리 오퍼레이션 시퀀스만을 메모리에 요청할 겁니다: 282 283 a = LOAD *X, STORE *X = b 284 285 그리고 다음에 대해서는: 286 287 WRITE_ONCE(*X, c); d = READ_ONCE(*X); 288 289 CPU 는 다음의 수행 요청만을 만들어 냅니다: 290 291 STORE *X = c, d = LOAD *X 292 293 (로드 오퍼레이션과 스토어 오퍼레이션이 겹치는 메모리 영역에 대해 294 수행된다면 해당 오퍼레이션들은 겹친다고 표현됩니다). 295 296그리고 _반드시_ 또는 _절대로_ 가정하거나 가정하지 말아야 하는 것들이 있습니다: 297 298 (*) 컴파일러가 READ_ONCE() 나 WRITE_ONCE() 로 보호되지 않은 메모리 액세스를 299 당신이 원하는 대로 할 것이라는 가정은 _절대로_ 해선 안됩니다. 그것들이 300 없다면, 컴파일러는 컴파일러 배리어 섹션에서 다루게 될, 모든 "창의적인" 301 변경들을 만들어낼 권한을 갖게 됩니다. 302 303 (*) 개별적인 로드와 스토어들이 주어진 순서대로 요청될 것이라는 가정은 _절대로_ 304 하지 말아야 합니다. 이 말은 곧: 305 306 X = *A; Y = *B; *D = Z; 307 308 는 다음의 것들 중 어느 것으로든 만들어질 수 있다는 의미입니다: 309 310 X = LOAD *A, Y = LOAD *B, STORE *D = Z 311 X = LOAD *A, STORE *D = Z, Y = LOAD *B 312 Y = LOAD *B, X = LOAD *A, STORE *D = Z 313 Y = LOAD *B, STORE *D = Z, X = LOAD *A 314 STORE *D = Z, X = LOAD *A, Y = LOAD *B 315 STORE *D = Z, Y = LOAD *B, X = LOAD *A 316 317 (*) 겹치는 메모리 액세스들은 합쳐지거나 버려질 수 있음을 _반드시_ 가정해야 318 합니다. 다음의 코드는: 319 320 X = *A; Y = *(A + 4); 321 322 다음의 것들 중 뭐든 될 수 있습니다: 323 324 X = LOAD *A; Y = LOAD *(A + 4); 325 Y = LOAD *(A + 4); X = LOAD *A; 326 {X, Y} = LOAD {*A, *(A + 4) }; 327 328 그리고: 329 330 *A = X; *(A + 4) = Y; 331 332 는 다음 중 뭐든 될 수 있습니다: 333 334 STORE *A = X; STORE *(A + 4) = Y; 335 STORE *(A + 4) = Y; STORE *A = X; 336 STORE {*A, *(A + 4) } = {X, Y}; 337 338그리고 보장사항에 반대되는 것들(anti-guarantees)이 있습니다: 339 340 (*) 이 보장사항들은 bitfield 에는 적용되지 않는데, 컴파일러들은 bitfield 를 341 수정하는 코드를 생성할 때 원자성 없는(non-atomic) 읽고-수정하고-쓰는 342 인스트럭션들의 조합을 만드는 경우가 많기 때문입니다. 병렬 알고리즘의 343 동기화에 bitfield 를 사용하려 하지 마십시오. 344 345 (*) bitfield 들이 여러 락으로 보호되는 경우라 하더라도, 하나의 bitfield 의 346 모든 필드들은 하나의 락으로 보호되어야 합니다. 만약 한 bitfield 의 두 347 필드가 서로 다른 락으로 보호된다면, 컴파일러의 원자성 없는 348 읽고-수정하고-쓰는 인스트럭션 조합은 한 필드에의 업데이트가 근처의 349 필드에도 영향을 끼치게 할 수 있습니다. 350 351 (*) 이 보장사항들은 적절하게 정렬되고 크기가 잡힌 스칼라 변수들에 대해서만 352 적용됩니다. "적절하게 크기가 잡힌" 이라함은 현재로써는 "char", "short", 353 "int" 그리고 "long" 과 같은 크기의 변수들을 의미합니다. "적절하게 정렬된" 354 은 자연스런 정렬을 의미하는데, 따라서 "char" 에 대해서는 아무 제약이 없고, 355 "short" 에 대해서는 2바이트 정렬을, "int" 에는 4바이트 정렬을, 그리고 356 "long" 에 대해서는 32-bit 시스템인지 64-bit 시스템인지에 따라 4바이트 또는 357 8바이트 정렬을 의미합니다. 이 보장사항들은 C11 표준에서 소개되었으므로, 358 C11 전의 오래된 컴파일러(예를 들어, gcc 4.6) 를 사용할 때엔 주의하시기 359 바랍니다. 표준에 이 보장사항들은 "memory location" 을 정의하는 3.14 360 섹션에 다음과 같이 설명되어 있습니다: 361 (역자: 인용문이므로 번역하지 않습니다) 362 363 memory location 364 either an object of scalar type, or a maximal sequence 365 of adjacent bit-fields all having nonzero width 366 367 NOTE 1: Two threads of execution can update and access 368 separate memory locations without interfering with 369 each other. 370 371 NOTE 2: A bit-field and an adjacent non-bit-field member 372 are in separate memory locations. The same applies 373 to two bit-fields, if one is declared inside a nested 374 structure declaration and the other is not, or if the two 375 are separated by a zero-length bit-field declaration, 376 or if they are separated by a non-bit-field member 377 declaration. It is not safe to concurrently update two 378 bit-fields in the same structure if all members declared 379 between them are also bit-fields, no matter what the 380 sizes of those intervening bit-fields happen to be. 381 382 383========================= 384메모리 배리어란 무엇인가? 385========================= 386 387앞에서 봤듯이, 상호간 의존성이 없는 메모리 오퍼레이션들은 실제로는 무작위적 388순서로 수행될 수 있으며, 이는 CPU 와 CPU 간의 상호작용이나 I/O 에 문제가 될 수 389있습니다. 따라서 컴파일러와 CPU 가 순서를 바꾸는데 제약을 걸 수 있도록 개입할 390수 있는 어떤 방법이 필요합니다. 391 392메모리 배리어는 그런 개입 수단입니다. 메모리 배리어는 배리어를 사이에 둔 앞과 393뒤 양측의 메모리 오퍼레이션들 간에 부분적 순서가 존재하도록 하는 효과를 줍니다. 394 395시스템의 CPU 들과 여러 디바이스들은 성능을 올리기 위해 명령어 재배치, 실행 396유예, 메모리 오퍼레이션들의 조합, 예측적 로드(speculative load), 브랜치 397예측(speculative branch prediction), 다양한 종류의 캐싱(caching) 등의 다양한 398트릭을 사용할 수 있기 때문에 이런 강제력은 중요합니다. 메모리 배리어들은 이런 399트릭들을 무효로 하거나 억제하는 목적으로 사용되어져서 코드가 여러 CPU 와 400디바이스들 간의 상호작용을 정상적으로 제어할 수 있게 해줍니다. 401 402 403메모리 배리어의 종류 404-------------------- 405 406메모리 배리어는 네개의 기본 타입으로 분류됩니다: 407 408 (1) 쓰기 (또는 스토어) 메모리 배리어. 409 410 쓰기 메모리 배리어는 시스템의 다른 컴포넌트들에 해당 배리어보다 앞서 411 명시된 모든 STORE 오퍼레이션들이 해당 배리어 뒤에 명시된 모든 STORE 412 오퍼레이션들보다 먼저 수행된 것으로 보일 것을 보장합니다. 413 414 쓰기 배리어는 스토어 오퍼레이션들에 대한 부분적 순서 세우기입니다; 로드 415 오퍼레이션들에 대해서는 어떤 영향도 끼치지 않습니다. 416 417 CPU 는 시간의 흐름에 따라 메모리 시스템에 일련의 스토어 오퍼레이션들을 418 하나씩 요청해 집어넣습니다. 쓰기 배리어 앞의 모든 스토어 오퍼레이션들은 419 쓰기 배리어 뒤의 모든 스토어 오퍼레이션들보다 _앞서_ 수행될 겁니다. 420 421 [!] 쓰기 배리어들은 읽기 또는 데이터 의존성 배리어와 함께 짝을 맞춰 422 사용되어야만 함을 알아두세요; "SMP 배리어 짝맞추기" 서브섹션을 참고하세요. 423 424 425 (2) 데이터 의존성 배리어. 426 427 데이터 의존성 배리어는 읽기 배리어의 보다 완화된 형태입니다. 두개의 로드 428 오퍼레이션이 있고 두번째 것이 첫번째 것의 결과에 의존하고 있을 때(예: 429 두번째 로드가 참조할 주소를 첫번째 로드가 읽는 경우), 두번째 로드가 읽어올 430 데이터는 첫번째 로드에 의해 그 주소가 얻어진 뒤에 업데이트 됨을 보장하기 431 위해서 데이터 의존성 배리어가 필요할 수 있습니다. 432 433 데이터 의존성 배리어는 상호 의존적인 로드 오퍼레이션들 사이의 부분적 순서 434 세우기입니다; 스토어 오퍼레이션들이나 독립적인 로드들, 또는 중복되는 435 로드들에 대해서는 어떤 영향도 끼치지 않습니다. 436 437 (1) 에서 언급했듯이, 시스템의 CPU 들은 메모리 시스템에 일련의 스토어 438 오퍼레이션들을 던져 넣고 있으며, 거기에 관심이 있는 다른 CPU 는 그 439 오퍼레이션들을 메모리 시스템이 실행한 결과를 인지할 수 있습니다. 이처럼 440 다른 CPU 의 스토어 오퍼레이션의 결과에 관심을 두고 있는 CPU 가 수행 요청한 441 데이터 의존성 배리어는, 배리어 앞의 어떤 로드 오퍼레이션이 다른 CPU 에서 442 던져 넣은 스토어 오퍼레이션과 같은 영역을 향했다면, 그런 스토어 443 오퍼레이션들이 만들어내는 결과가 데이터 의존성 배리어 뒤의 로드 444 오퍼레이션들에게는 보일 것을 보장합니다. 445 446 이 순서 세우기 제약에 대한 그림을 보기 위해선 "메모리 배리어 시퀀스의 예" 447 서브섹션을 참고하시기 바랍니다. 448 449 [!] 첫번째 로드는 반드시 _데이터_ 의존성을 가져야지 컨트롤 의존성을 가져야 450 하는게 아님을 알아두십시오. 만약 두번째 로드를 위한 주소가 첫번째 로드에 451 의존적이지만 그 의존성은 조건적이지 그 주소 자체를 가져오는게 아니라면, 452 그것은 _컨트롤_ 의존성이고, 이 경우에는 읽기 배리어나 그보다 강력한 453 무언가가 필요합니다. 더 자세한 내용을 위해서는 "컨트롤 의존성" 서브섹션을 454 참고하시기 바랍니다. 455 456 [!] 데이터 의존성 배리어는 보통 쓰기 배리어들과 함께 짝을 맞춰 사용되어야 457 합니다; "SMP 배리어 짝맞추기" 서브섹션을 참고하세요. 458 459 460 (3) 읽기 (또는 로드) 메모리 배리어. 461 462 읽기 배리어는 데이터 의존성 배리어 기능의 보장사항에 더해서 배리어보다 463 앞서 명시된 모든 LOAD 오퍼레이션들이 배리어 뒤에 명시되는 모든 LOAD 464 오퍼레이션들보다 먼저 행해진 것으로 시스템의 다른 컴포넌트들에 보여질 것을 465 보장합니다. 466 467 읽기 배리어는 로드 오퍼레이션에 행해지는 부분적 순서 세우기입니다; 스토어 468 오퍼레이션에 대해서는 어떤 영향도 끼치지 않습니다. 469 470 읽기 메모리 배리어는 데이터 의존성 배리어를 내장하므로 데이터 의존성 471 배리어를 대신할 수 있습니다. 472 473 [!] 읽기 배리어는 일반적으로 쓰기 배리어들과 함께 짝을 맞춰 사용되어야 474 합니다; "SMP 배리어 짝맞추기" 서브섹션을 참고하세요. 475 476 477 (4) 범용 메모리 배리어. 478 479 범용(general) 메모리 배리어는 배리어보다 앞서 명시된 모든 LOAD 와 STORE 480 오퍼레이션들이 배리어 뒤에 명시된 모든 LOAD 와 STORE 오퍼레이션들보다 481 먼저 수행된 것으로 시스템의 나머지 컴포넌트들에 보이게 됨을 보장합니다. 482 483 범용 메모리 배리어는 로드와 스토어 모두에 대한 부분적 순서 세우기입니다. 484 485 범용 메모리 배리어는 읽기 메모리 배리어, 쓰기 메모리 배리어 모두를 486 내장하므로, 두 배리어를 모두 대신할 수 있습니다. 487 488 489그리고 두개의 명시적이지 않은 타입이 있습니다: 490 491 (5) ACQUIRE 오퍼레이션. 492 493 이 타입의 오퍼레이션은 단방향의 투과성 배리어처럼 동작합니다. ACQUIRE 494 오퍼레이션 뒤의 모든 메모리 오퍼레이션들이 ACQUIRE 오퍼레이션 후에 495 일어난 것으로 시스템의 나머지 컴포넌트들에 보이게 될 것이 보장됩니다. 496 LOCK 오퍼레이션과 smp_load_acquire(), smp_cond_load_acquire() 오퍼레이션도 497 ACQUIRE 오퍼레이션에 포함됩니다. 498 499 ACQUIRE 오퍼레이션 앞의 메모리 오퍼레이션들은 ACQUIRE 오퍼레이션 완료 후에 500 수행된 것처럼 보일 수 있습니다. 501 502 ACQUIRE 오퍼레이션은 거의 항상 RELEASE 오퍼레이션과 짝을 지어 사용되어야 503 합니다. 504 505 506 (6) RELEASE 오퍼레이션. 507 508 이 타입의 오퍼레이션들도 단방향 투과성 배리어처럼 동작합니다. RELEASE 509 오퍼레이션 앞의 모든 메모리 오퍼레이션들은 RELEASE 오퍼레이션 전에 완료된 510 것으로 시스템의 다른 컴포넌트들에 보여질 것이 보장됩니다. UNLOCK 류의 511 오퍼레이션들과 smp_store_release() 오퍼레이션도 RELEASE 오퍼레이션의 512 일종입니다. 513 514 RELEASE 오퍼레이션 뒤의 메모리 오퍼레이션들은 RELEASE 오퍼레이션이 515 완료되기 전에 행해진 것처럼 보일 수 있습니다. 516 517 ACQUIRE 와 RELEASE 오퍼레이션의 사용은 일반적으로 다른 메모리 배리어의 518 필요성을 없앱니다 (하지만 "MMIO 쓰기 배리어" 서브섹션에서 설명되는 예외를 519 알아두세요). 또한, RELEASE+ACQUIRE 조합은 범용 메모리 배리어처럼 동작할 520 것을 보장하지 -않습니다-. 하지만, 어떤 변수에 대한 RELEASE 오퍼레이션을 521 앞서는 메모리 액세스들의 수행 결과는 이 RELEASE 오퍼레이션을 뒤이어 같은 522 변수에 대해 수행된 ACQUIRE 오퍼레이션을 뒤따르는 메모리 액세스에는 보여질 523 것이 보장됩니다. 다르게 말하자면, 주어진 변수의 크리티컬 섹션에서는, 해당 524 변수에 대한 앞의 크리티컬 섹션에서의 모든 액세스들이 완료되었을 것을 525 보장합니다. 526 527 즉, ACQUIRE 는 최소한의 "취득" 동작처럼, 그리고 RELEASE 는 최소한의 "공개" 528 처럼 동작한다는 의미입니다. 529 530atomic_t.txt 에 설명된 어토믹 오퍼레이션들 중 일부는 완전히 순서잡힌 것들과 531(배리어를 사용하지 않는) 완화된 순서의 것들 외에 ACQUIRE 와 RELEASE 부류의 532것들도 존재합니다. 로드와 스토어를 모두 수행하는 조합된 어토믹 오퍼레이션에서, 533ACQUIRE 는 해당 오퍼레이션의 로드 부분에만 적용되고 RELEASE 는 해당 534오퍼레이션의 스토어 부분에만 적용됩니다. 535 536메모리 배리어들은 두 CPU 간, 또는 CPU 와 디바이스 간에 상호작용의 가능성이 있을 537때에만 필요합니다. 만약 어떤 코드에 그런 상호작용이 없을 것이 보장된다면, 해당 538코드에서는 메모리 배리어를 사용할 필요가 없습니다. 539 540 541이것들은 _최소한의_ 보장사항들임을 알아두세요. 다른 아키텍쳐에서는 더 강력한 542보장사항을 제공할 수도 있습니다만, 그런 보장사항은 아키텍쳐 종속적 코드 이외의 543부분에서는 신뢰되지 _않을_ 겁니다. 544 545 546메모리 배리어에 대해 가정해선 안될 것 547------------------------------------- 548 549리눅스 커널 메모리 배리어들이 보장하지 않는 것들이 있습니다: 550 551 (*) 메모리 배리어 앞에서 명시된 어떤 메모리 액세스도 메모리 배리어 명령의 수행 552 완료 시점까지 _완료_ 될 것이란 보장은 없습니다; 배리어가 하는 일은 CPU 의 553 액세스 큐에 특정 타입의 액세스들은 넘을 수 없는 선을 긋는 것으로 생각될 수 554 있습니다. 555 556 (*) 한 CPU 에서 메모리 배리어를 수행하는게 시스템의 다른 CPU 나 하드웨어에 557 어떤 직접적인 영향을 끼친다는 보장은 존재하지 않습니다. 배리어 수행이 558 만드는 간접적 영향은 두번째 CPU 가 첫번째 CPU 의 액세스들의 결과를 559 바라보는 순서가 됩니다만, 다음 항목을 보세요: 560 561 (*) 첫번째 CPU 가 두번째 CPU 의 메모리 액세스들의 결과를 바라볼 때, _설령_ 562 두번째 CPU 가 메모리 배리어를 사용한다 해도, 첫번째 CPU _또한_ 그에 맞는 563 메모리 배리어를 사용하지 않는다면 ("SMP 배리어 짝맞추기" 서브섹션을 564 참고하세요) 그 결과가 올바른 순서로 보여진다는 보장은 없습니다. 565 566 (*) CPU 바깥의 하드웨어[*] 가 메모리 액세스들의 순서를 바꾸지 않는다는 보장은 567 존재하지 않습니다. CPU 캐시 일관성 메커니즘은 메모리 배리어의 간접적 568 영향을 CPU 사이에 전파하긴 하지만, 순서대로 전파하지는 않을 수 있습니다. 569 570 [*] 버스 마스터링 DMA 와 일관성에 대해서는 다음을 참고하시기 바랍니다: 571 572 Documentation/PCI/pci.rst 573 Documentation/DMA-API-HOWTO.txt 574 Documentation/DMA-API.txt 575 576 577데이터 의존성 배리어 (역사적) 578----------------------------- 579 580리눅스 커널 v4.15 기준으로, smp_read_barrier_depends() 가 READ_ONCE() 에 581추가되었는데, 이는 이 섹션에 주의를 기울여야 하는 사람들은 DEC Alpha 아키텍쳐 582전용 코드를 만드는 사람들과 READ_ONCE() 자체를 만드는 사람들 뿐임을 의미합니다. 583그런 분들을 위해, 그리고 역사에 관심 있는 분들을 위해, 여기 데이터 의존성 584배리어에 대한 이야기를 적습니다. 585 586데이터 의존성 배리어의 사용에 있어 지켜야 하는 사항들은 약간 미묘하고, 데이터 587의존성 배리어가 사용되어야 하는 상황도 항상 명백하지는 않습니다. 설명을 위해 588다음의 이벤트 시퀀스를 생각해 봅시다: 589 590 CPU 1 CPU 2 591 =============== =============== 592 { A == 1, B == 2, C == 3, P == &A, Q == &C } 593 B = 4; 594 <쓰기 배리어> 595 WRITE_ONCE(P, &B) 596 Q = READ_ONCE(P); 597 D = *Q; 598 599여기엔 분명한 데이터 의존성이 존재하므로, 이 시퀀스가 끝났을 때 Q 는 &A 또는 &B 600일 것이고, 따라서: 601 602 (Q == &A) 는 (D == 1) 를, 603 (Q == &B) 는 (D == 4) 를 의미합니다. 604 605하지만! CPU 2 는 B 의 업데이트를 인식하기 전에 P 의 업데이트를 인식할 수 있고, 606따라서 다음의 결과가 가능합니다: 607 608 (Q == &B) and (D == 2) ???? 609 610이런 결과는 일관성이나 인과 관계 유지가 실패한 것처럼 보일 수도 있겠지만, 611그렇지 않습니다, 그리고 이 현상은 (DEC Alpha 와 같은) 여러 CPU 에서 실제로 612발견될 수 있습니다. 613 614이 문제 상황을 제대로 해결하기 위해, 데이터 의존성 배리어나 그보다 강화된 615무언가가 주소를 읽어올 때와 데이터를 읽어올 때 사이에 추가되어야만 합니다: 616 617 CPU 1 CPU 2 618 =============== =============== 619 { A == 1, B == 2, C == 3, P == &A, Q == &C } 620 B = 4; 621 <쓰기 배리어> 622 WRITE_ONCE(P, &B); 623 Q = READ_ONCE(P); 624 <데이터 의존성 배리어> 625 D = *Q; 626 627이 변경은 앞의 처음 두가지 결과 중 하나만이 발생할 수 있고, 세번째의 결과는 628발생할 수 없도록 합니다. 629 630 631[!] 이 상당히 반직관적인 상황은 분리된 캐시를 가지는 기계들에서 가장 잘 632발생하는데, 예를 들면 한 캐시 뱅크는 짝수 번호의 캐시 라인들을 처리하고, 다른 633뱅크는 홀수 번호의 캐시 라인들을 처리하는 경우임을 알아두시기 바랍니다. 포인터 634P 는 짝수 번호 캐시 라인에 저장되어 있고, 변수 B 는 홀수 번호 캐시 라인에 635저장되어 있을 수 있습니다. 여기서 값을 읽어오는 CPU 의 캐시의 홀수 번호 처리 636뱅크는 열심히 일감을 처리중인 반면 홀수 번호 처리 뱅크는 할 일 없이 한가한 637중이라면 포인터 P (&B) 의 새로운 값과 변수 B 의 기존 값 (2) 를 볼 수 있습니다. 638 639 640의존적 쓰기들의 순서를 맞추는데에는 데이터 의존성 배리어가 필요치 않은데, 이는 641리눅스 커널이 지원하는 CPU 들은 (1) 쓰기가 정말로 일어날지, (2) 쓰기가 어디에 642이루어질지, 그리고 (3) 쓰여질 값을 확실히 알기 전까지는 쓰기를 수행하지 않기 643때문입니다. 하지만 "컨트롤 의존성" 섹션과 644Documentation/RCU/rcu_dereference.txt 파일을 주의 깊게 읽어 주시기 바랍니다: 645컴파일러는 매우 창의적인 많은 방법으로 종속성을 깰 수 있습니다. 646 647 CPU 1 CPU 2 648 =============== =============== 649 { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C } 650 B = 4; 651 <쓰기 배리어> 652 WRITE_ONCE(P, &B); 653 Q = READ_ONCE(P); 654 WRITE_ONCE(*Q, 5); 655 656따라서, Q 로의 읽기와 *Q 로의 쓰기 사이에는 데이터 종속성 배리어가 필요치 657않습니다. 달리 말하면, 데이터 종속성 배리어가 없더라도 다음 결과는 생기지 658않습니다: 659 660 (Q == &B) && (B == 4) 661 662이런 패턴은 드물게 사용되어야 함을 알아 두시기 바랍니다. 무엇보다도, 의존성 663순서 규칙의 의도는 쓰기 작업을 -예방- 해서 그로 인해 발생하는 비싼 캐시 미스도 664없애려는 것입니다. 이 패턴은 드물게 발생하는 에러 조건 같은것들을 기록하는데 665사용될 수 있으며, CPU의 자연적인 순서 보장이 그런 기록들을 사라지지 않게 666해줍니다. 667 668 669데이터 의존성에 의해 제공되는 이 순서규칙은 이를 포함하고 있는 CPU 에 670지역적임을 알아두시기 바랍니다. 더 많은 정보를 위해선 "Multicopy 원자성" 671섹션을 참고하세요. 672 673 674데이터 의존성 배리어는 매우 중요한데, 예를 들어 RCU 시스템에서 그렇습니다. 675include/linux/rcupdate.h 의 rcu_assign_pointer() 와 rcu_dereference() 를 676참고하세요. 여기서 데이터 의존성 배리어는 RCU 로 관리되는 포인터의 타겟을 현재 677타겟에서 수정된 새로운 타겟으로 바꾸는 작업에서 새로 수정된 타겟이 초기화가 678완료되지 않은 채로 보여지는 일이 일어나지 않게 해줍니다. 679 680더 많은 예를 위해선 "캐시 일관성" 서브섹션을 참고하세요. 681 682 683컨트롤 의존성 684------------- 685 686현재의 컴파일러들은 컨트롤 의존성을 이해하고 있지 않기 때문에 컨트롤 의존성은 687약간 다루기 어려울 수 있습니다. 이 섹션의 목적은 여러분이 컴파일러의 무시로 688인해 여러분의 코드가 망가지는 걸 막을 수 있도록 돕는겁니다. 689 690로드-로드 컨트롤 의존성은 데이터 의존성 배리어만으로는 정확히 동작할 수가 691없어서 읽기 메모리 배리어를 필요로 합니다. 아래의 코드를 봅시다: 692 693 q = READ_ONCE(a); 694 if (q) { 695 <데이터 의존성 배리어> /* BUG: No data dependency!!! */ 696 p = READ_ONCE(b); 697 } 698 699이 코드는 원하는 대로의 효과를 내지 못할 수 있는데, 이 코드에는 데이터 의존성이 700아니라 컨트롤 의존성이 존재하기 때문으로, 이런 상황에서 CPU 는 실행 속도를 더 701빠르게 하기 위해 분기 조건의 결과를 예측하고 코드를 재배치 할 수 있어서 다른 702CPU 는 b 로부터의 로드 오퍼레이션이 a 로부터의 로드 오퍼레이션보다 먼저 발생한 703걸로 인식할 수 있습니다. 여기에 정말로 필요했던 건 다음과 같습니다: 704 705 q = READ_ONCE(a); 706 if (q) { 707 <읽기 배리어> 708 p = READ_ONCE(b); 709 } 710 711하지만, 스토어 오퍼레이션은 예측적으로 수행되지 않습니다. 즉, 다음 예에서와 712같이 로드-스토어 컨트롤 의존성이 존재하는 경우에는 순서가 -지켜진다-는 713의미입니다. 714 715 q = READ_ONCE(a); 716 if (q) { 717 WRITE_ONCE(b, 1); 718 } 719 720컨트롤 의존성은 보통 다른 타입의 배리어들과 짝을 맞춰 사용됩니다. 그렇다곤 721하나, READ_ONCE() 도 WRITE_ONCE() 도 선택사항이 아니라 필수사항임을 부디 722명심하세요! READ_ONCE() 가 없다면, 컴파일러는 'a' 로부터의 로드를 'a' 로부터의 723또다른 로드와 조합할 수 있습니다. WRITE_ONCE() 가 없다면, 컴파일러는 'b' 로의 724스토어를 'b' 로의 또라느 스토어들과 조합할 수 있습니다. 두 경우 모두 순서에 725있어 상당히 비직관적인 결과를 초래할 수 있습니다. 726 727이걸로 끝이 아닌게, 컴파일러가 변수 'a' 의 값이 항상 0이 아니라고 증명할 수 728있다면, 앞의 예에서 "if" 문을 없애서 다음과 같이 최적화 할 수도 있습니다: 729 730 q = a; 731 b = 1; /* BUG: Compiler and CPU can both reorder!!! */ 732 733그러니 READ_ONCE() 를 반드시 사용하세요. 734 735다음과 같이 "if" 문의 양갈래 브랜치에 모두 존재하는 동일한 스토어에 대해 순서를 736강제하고 싶은 경우가 있을 수 있습니다: 737 738 q = READ_ONCE(a); 739 if (q) { 740 barrier(); 741 WRITE_ONCE(b, 1); 742 do_something(); 743 } else { 744 barrier(); 745 WRITE_ONCE(b, 1); 746 do_something_else(); 747 } 748 749안타깝게도, 현재의 컴파일러들은 높은 최적화 레벨에서는 이걸 다음과 같이 750바꿔버립니다: 751 752 q = READ_ONCE(a); 753 barrier(); 754 WRITE_ONCE(b, 1); /* BUG: No ordering vs. load from a!!! */ 755 if (q) { 756 /* WRITE_ONCE(b, 1); -- moved up, BUG!!! */ 757 do_something(); 758 } else { 759 /* WRITE_ONCE(b, 1); -- moved up, BUG!!! */ 760 do_something_else(); 761 } 762 763이제 'a' 에서의 로드와 'b' 로의 스토어 사이에는 조건적 관계가 없기 때문에 CPU 764는 이들의 순서를 바꿀 수 있게 됩니다: 이런 경우에 조건적 관계는 반드시 765필요한데, 모든 컴파일러 최적화가 이루어지고 난 후의 어셈블리 코드에서도 766마찬가지입니다. 따라서, 이 예에서 순서를 지키기 위해서는 smp_store_release() 767와 같은 명시적 메모리 배리어가 필요합니다: 768 769 q = READ_ONCE(a); 770 if (q) { 771 smp_store_release(&b, 1); 772 do_something(); 773 } else { 774 smp_store_release(&b, 1); 775 do_something_else(); 776 } 777 778반면에 명시적 메모리 배리어가 없다면, 이런 경우의 순서는 스토어 오퍼레이션들이 779서로 다를 때에만 보장되는데, 예를 들면 다음과 같은 경우입니다: 780 781 q = READ_ONCE(a); 782 if (q) { 783 WRITE_ONCE(b, 1); 784 do_something(); 785 } else { 786 WRITE_ONCE(b, 2); 787 do_something_else(); 788 } 789 790처음의 READ_ONCE() 는 컴파일러가 'a' 의 값을 증명해내는 것을 막기 위해 여전히 791필요합니다. 792 793또한, 로컬 변수 'q' 를 가지고 하는 일에 대해 주의해야 하는데, 그러지 않으면 794컴파일러는 그 값을 추측하고 또다시 필요한 조건관계를 없애버릴 수 있습니다. 795예를 들면: 796 797 q = READ_ONCE(a); 798 if (q % MAX) { 799 WRITE_ONCE(b, 1); 800 do_something(); 801 } else { 802 WRITE_ONCE(b, 2); 803 do_something_else(); 804 } 805 806만약 MAX 가 1 로 정의된 상수라면, 컴파일러는 (q % MAX) 는 0이란 것을 알아채고, 807위의 코드를 아래와 같이 바꿔버릴 수 있습니다: 808 809 q = READ_ONCE(a); 810 WRITE_ONCE(b, 2); 811 do_something_else(); 812 813이렇게 되면, CPU 는 변수 'a' 로부터의 로드와 변수 'b' 로의 스토어 사이의 순서를 814지켜줄 필요가 없어집니다. barrier() 를 추가해 해결해 보고 싶겠지만, 그건 815도움이 안됩니다. 조건 관계는 사라졌고, barrier() 는 이를 되돌리지 못합니다. 816따라서, 이 순서를 지켜야 한다면, MAX 가 1 보다 크다는 것을, 다음과 같은 방법을 817사용해 분명히 해야 합니다: 818 819 q = READ_ONCE(a); 820 BUILD_BUG_ON(MAX <= 1); /* Order load from a with store to b. */ 821 if (q % MAX) { 822 WRITE_ONCE(b, 1); 823 do_something(); 824 } else { 825 WRITE_ONCE(b, 2); 826 do_something_else(); 827 } 828 829'b' 로의 스토어들은 여전히 서로 다름을 알아두세요. 만약 그것들이 동일하면, 830앞에서 이야기했듯, 컴파일러가 그 스토어 오퍼레이션들을 'if' 문 바깥으로 831끄집어낼 수 있습니다. 832 833또한 이진 조건문 평가에 너무 의존하지 않도록 조심해야 합니다. 다음의 예를 834봅시다: 835 836 q = READ_ONCE(a); 837 if (q || 1 > 0) 838 WRITE_ONCE(b, 1); 839 840첫번째 조건만으로는 브랜치 조건 전체를 거짓으로 만들 수 없고 두번째 조건은 항상 841참이기 때문에, 컴파일러는 이 예를 다음과 같이 바꿔서 컨트롤 의존성을 없애버릴 842수 있습니다: 843 844 q = READ_ONCE(a); 845 WRITE_ONCE(b, 1); 846 847이 예는 컴파일러가 코드를 추측으로 수정할 수 없도록 분명히 해야 한다는 점을 848강조합니다. 조금 더 일반적으로 말해서, READ_ONCE() 는 컴파일러에게 주어진 로드 849오퍼레이션을 위한 코드를 정말로 만들도록 하지만, 컴파일러가 그렇게 만들어진 850코드의 수행 결과를 사용하도록 강제하지는 않습니다. 851 852또한, 컨트롤 의존성은 if 문의 then 절과 else 절에 대해서만 적용됩니다. 상세히 853말해서, 컨트롤 의존성은 if 문을 뒤따르는 코드에는 적용되지 않습니다: 854 855 q = READ_ONCE(a); 856 if (q) { 857 WRITE_ONCE(b, 1); 858 } else { 859 WRITE_ONCE(b, 2); 860 } 861 WRITE_ONCE(c, 1); /* BUG: No ordering against the read from 'a'. */ 862 863컴파일러는 volatile 타입에 대한 액세스를 재배치 할 수 없고 이 조건 하의 'b' 864로의 쓰기를 재배치 할 수 없기 때문에 여기에 순서 규칙이 존재한다고 주장하고 865싶을 겁니다. 불행히도 이 경우에, 컴파일러는 다음의 가상의 pseudo-assembly 언어 866코드처럼 'b' 로의 두개의 쓰기 오퍼레이션을 conditional-move 인스트럭션으로 867번역할 수 있습니다: 868 869 ld r1,a 870 cmp r1,$0 871 cmov,ne r4,$1 872 cmov,eq r4,$2 873 st r4,b 874 st $1,c 875 876완화된 순서 규칙의 CPU 는 'a' 로부터의 로드와 'c' 로의 스토어 사이에 어떤 877종류의 의존성도 갖지 않을 겁니다. 이 컨트롤 의존성은 두개의 cmov 인스트럭션과 878거기에 의존하는 스토어 에게만 적용될 겁니다. 짧게 말하자면, 컨트롤 의존성은 879주어진 if 문의 then 절과 else 절에게만 (그리고 이 두 절 내에서 호출되는 880함수들에게까지) 적용되지, 이 if 문을 뒤따르는 코드에는 적용되지 않습니다. 881 882 883컨트롤 의존성에 의해 제공되는 이 순서규칙은 이를 포함하고 있는 CPU 에 884지역적입니다. 더 많은 정보를 위해선 "Multicopy 원자성" 섹션을 참고하세요. 885 886 887요약하자면: 888 889 (*) 컨트롤 의존성은 앞의 로드들을 뒤의 스토어들에 대해 순서를 맞춰줍니다. 890 하지만, 그 외의 어떤 순서도 보장하지 -않습니다-: 앞의 로드와 뒤의 로드들 891 사이에도, 앞의 스토어와 뒤의 스토어들 사이에도요. 이런 다른 형태의 892 순서가 필요하다면 smp_rmb() 나 smp_wmb()를, 또는, 앞의 스토어들과 뒤의 893 로드들 사이의 순서를 위해서는 smp_mb() 를 사용하세요. 894 895 (*) "if" 문의 양갈래 브랜치가 같은 변수에의 동일한 스토어로 시작한다면, 그 896 스토어들은 각 스토어 앞에 smp_mb() 를 넣거나 smp_store_release() 를 897 사용해서 스토어를 하는 식으로 순서를 맞춰줘야 합니다. 이 문제를 해결하기 898 위해 "if" 문의 양갈래 브랜치의 시작 지점에 barrier() 를 넣는 것만으로는 899 충분한 해결이 되지 않는데, 이는 앞의 예에서 본것과 같이, 컴파일러의 900 최적화는 barrier() 가 의미하는 바를 지키면서도 컨트롤 의존성을 손상시킬 901 수 있기 때문이라는 점을 부디 알아두시기 바랍니다. 902 903 (*) 컨트롤 의존성은 앞의 로드와 뒤의 스토어 사이에 최소 하나의, 실행 904 시점에서의 조건관계를 필요로 하며, 이 조건관계는 앞의 로드와 관계되어야 905 합니다. 만약 컴파일러가 조건 관계를 최적화로 없앨수 있다면, 순서도 906 최적화로 없애버렸을 겁니다. READ_ONCE() 와 WRITE_ONCE() 의 주의 깊은 907 사용은 주어진 조건 관계를 유지하는데 도움이 될 수 있습니다. 908 909 (*) 컨트롤 의존성을 위해선 컴파일러가 조건관계를 없애버리는 것을 막아야 910 합니다. 주의 깊은 READ_ONCE() 나 atomic{,64}_read() 의 사용이 컨트롤 911 의존성이 사라지지 않게 하는데 도움을 줄 수 있습니다. 더 많은 정보를 912 위해선 "컴파일러 배리어" 섹션을 참고하시기 바랍니다. 913 914 (*) 컨트롤 의존성은 컨트롤 의존성을 갖는 if 문의 then 절과 else 절과 이 두 절 915 내에서 호출되는 함수들에만 적용됩니다. 컨트롤 의존성은 컨트롤 의존성을 916 갖는 if 문을 뒤따르는 코드에는 적용되지 -않습니다-. 917 918 (*) 컨트롤 의존성은 보통 다른 타입의 배리어들과 짝을 맞춰 사용됩니다. 919 920 (*) 컨트롤 의존성은 multicopy 원자성을 제공하지 -않습니다-. 모든 CPU 들이 921 특정 스토어를 동시에 보길 원한다면, smp_mb() 를 사용하세요. 922 923 (*) 컴파일러는 컨트롤 의존성을 이해하고 있지 않습니다. 따라서 컴파일러가 924 여러분의 코드를 망가뜨리지 않도록 하는건 여러분이 해야 하는 일입니다. 925 926 927SMP 배리어 짝맞추기 928-------------------- 929 930CPU 간 상호작용을 다룰 때에 일부 타입의 메모리 배리어는 항상 짝을 맞춰 931사용되어야 합니다. 적절하게 짝을 맞추지 않은 코드는 사실상 에러에 가깝습니다. 932 933범용 배리어들은 범용 배리어끼리도 짝을 맞추지만 multicopy 원자성이 없는 934대부분의 다른 타입의 배리어들과도 짝을 맞춥니다. ACQUIRE 배리어는 RELEASE 935배리어와 짝을 맞춥니다만, 둘 다 범용 배리어를 포함해 다른 배리어들과도 짝을 936맞출 수 있습니다. 쓰기 배리어는 데이터 의존성 배리어나 컨트롤 의존성, ACQUIRE 937배리어, RELEASE 배리어, 읽기 배리어, 또는 범용 배리어와 짝을 맞춥니다. 938비슷하게 읽기 배리어나 컨트롤 의존성, 또는 데이터 의존성 배리어는 쓰기 배리어나 939ACQUIRE 배리어, RELEASE 배리어, 또는 범용 배리어와 짝을 맞추는데, 다음과 940같습니다: 941 942 CPU 1 CPU 2 943 =============== =============== 944 WRITE_ONCE(a, 1); 945 <쓰기 배리어> 946 WRITE_ONCE(b, 2); x = READ_ONCE(b); 947 <읽기 배리어> 948 y = READ_ONCE(a); 949 950또는: 951 952 CPU 1 CPU 2 953 =============== =============================== 954 a = 1; 955 <쓰기 배리어> 956 WRITE_ONCE(b, &a); x = READ_ONCE(b); 957 <데이터 의존성 배리어> 958 y = *x; 959 960또는: 961 962 CPU 1 CPU 2 963 =============== =============================== 964 r1 = READ_ONCE(y); 965 <범용 배리어> 966 WRITE_ONCE(x, 1); if (r2 = READ_ONCE(x)) { 967 <묵시적 컨트롤 의존성> 968 WRITE_ONCE(y, 1); 969 } 970 971 assert(r1 == 0 || r2 == 0); 972 973기본적으로, 여기서의 읽기 배리어는 "더 완화된" 타입일 순 있어도 항상 존재해야 974합니다. 975 976[!] 쓰기 배리어 앞의 스토어 오퍼레이션은 일반적으로 읽기 배리어나 데이터 977의존성 배리어 뒤의 로드 오퍼레이션과 매치될 것이고, 반대도 마찬가지입니다: 978 979 CPU 1 CPU 2 980 =================== =================== 981 WRITE_ONCE(a, 1); }---- --->{ v = READ_ONCE(c); 982 WRITE_ONCE(b, 2); } \ / { w = READ_ONCE(d); 983 <쓰기 배리어> \ <읽기 배리어> 984 WRITE_ONCE(c, 3); } / \ { x = READ_ONCE(a); 985 WRITE_ONCE(d, 4); }---- --->{ y = READ_ONCE(b); 986 987 988메모리 배리어 시퀀스의 예 989------------------------- 990 991첫째, 쓰기 배리어는 스토어 오퍼레이션들의 부분적 순서 세우기로 동작합니다. 992아래의 이벤트 시퀀스를 보세요: 993 994 CPU 1 995 ======================= 996 STORE A = 1 997 STORE B = 2 998 STORE C = 3 999 <쓰기 배리어> 1000 STORE D = 4 1001 STORE E = 5 1002 1003이 이벤트 시퀀스는 메모리 일관성 시스템에 원소끼리의 순서가 존재하지 않는 집합 1004{ STORE A, STORE B, STORE C } 가 역시 원소끼리의 순서가 존재하지 않는 집합 1005{ STORE D, STORE E } 보다 먼저 일어난 것으로 시스템의 나머지 요소들에 보이도록 1006전달됩니다: 1007 1008 +-------+ : : 1009 | | +------+ 1010 | |------>| C=3 | } /\ 1011 | | : +------+ }----- \ -----> 시스템의 나머지 요소에 1012 | | : | A=1 | } \/ 보여질 수 있는 이벤트들 1013 | | : +------+ } 1014 | CPU 1 | : | B=2 | } 1015 | | +------+ } 1016 | | wwwwwwwwwwwwwwww } <--- 여기서 쓰기 배리어는 배리어 앞의 1017 | | +------+ } 모든 스토어가 배리어 뒤의 스토어 1018 | | : | E=5 | } 전에 메모리 시스템에 전달되도록 1019 | | : +------+ } 합니다 1020 | |------>| D=4 | } 1021 | | +------+ 1022 +-------+ : : 1023 | 1024 | CPU 1 에 의해 메모리 시스템에 전달되는 1025 | 일련의 스토어 오퍼레이션들 1026 V 1027 1028 1029둘째, 데이터 의존성 배리어는 데이터 의존적 로드 오퍼레이션들의 부분적 순서 1030세우기로 동작합니다. 다음 일련의 이벤트들을 보세요: 1031 1032 CPU 1 CPU 2 1033 ======================= ======================= 1034 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y } 1035 STORE A = 1 1036 STORE B = 2 1037 <쓰기 배리어> 1038 STORE C = &B LOAD X 1039 STORE D = 4 LOAD C (gets &B) 1040 LOAD *C (reads B) 1041 1042여기에 별다른 개입이 없다면, CPU 1 의 쓰기 배리어에도 불구하고 CPU 2 는 CPU 1 1043의 이벤트들을 완전히 무작위적 순서로 인지하게 됩니다: 1044 1045 +-------+ : : : : 1046 | | +------+ +-------+ | CPU 2 에 인지되는 1047 | |------>| B=2 |----- --->| Y->8 | | 업데이트 이벤트 1048 | | : +------+ \ +-------+ | 시퀀스 1049 | CPU 1 | : | A=1 | \ --->| C->&Y | V 1050 | | +------+ | +-------+ 1051 | | wwwwwwwwwwwwwwww | : : 1052 | | +------+ | : : 1053 | | : | C=&B |--- | : : +-------+ 1054 | | : +------+ \ | +-------+ | | 1055 | |------>| D=4 | ----------->| C->&B |------>| | 1056 | | +------+ | +-------+ | | 1057 +-------+ : : | : : | | 1058 | : : | | 1059 | : : | CPU 2 | 1060 | +-------+ | | 1061 분명히 잘못된 ---> | | B->7 |------>| | 1062 B 의 값 인지 (!) | +-------+ | | 1063 | : : | | 1064 | +-------+ | | 1065 X 의 로드가 B 의 ---> \ | X->9 |------>| | 1066 일관성 유지를 \ +-------+ | | 1067 지연시킴 ----->| B->2 | +-------+ 1068 +-------+ 1069 : : 1070 1071 1072앞의 예에서, CPU 2 는 (B 의 값이 될) *C 의 값 읽기가 C 의 LOAD 뒤에 이어짐에도 1073B 가 7 이라는 결과를 얻습니다. 1074 1075하지만, 만약 데이터 의존성 배리어가 C 의 로드와 *C (즉, B) 의 로드 사이에 1076있었다면: 1077 1078 CPU 1 CPU 2 1079 ======================= ======================= 1080 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y } 1081 STORE A = 1 1082 STORE B = 2 1083 <쓰기 배리어> 1084 STORE C = &B LOAD X 1085 STORE D = 4 LOAD C (gets &B) 1086 <데이터 의존성 배리어> 1087 LOAD *C (reads B) 1088 1089다음과 같이 됩니다: 1090 1091 +-------+ : : : : 1092 | | +------+ +-------+ 1093 | |------>| B=2 |----- --->| Y->8 | 1094 | | : +------+ \ +-------+ 1095 | CPU 1 | : | A=1 | \ --->| C->&Y | 1096 | | +------+ | +-------+ 1097 | | wwwwwwwwwwwwwwww | : : 1098 | | +------+ | : : 1099 | | : | C=&B |--- | : : +-------+ 1100 | | : +------+ \ | +-------+ | | 1101 | |------>| D=4 | ----------->| C->&B |------>| | 1102 | | +------+ | +-------+ | | 1103 +-------+ : : | : : | | 1104 | : : | | 1105 | : : | CPU 2 | 1106 | +-------+ | | 1107 | | X->9 |------>| | 1108 | +-------+ | | 1109 C 로의 스토어 앞의 ---> \ ddddddddddddddddd | | 1110 모든 이벤트 결과가 \ +-------+ | | 1111 뒤의 로드에게 ----->| B->2 |------>| | 1112 보이게 강제한다 +-------+ | | 1113 : : +-------+ 1114 1115 1116셋째, 읽기 배리어는 로드 오퍼레이션들에의 부분적 순서 세우기로 동작합니다. 1117아래의 일련의 이벤트를 봅시다: 1118 1119 CPU 1 CPU 2 1120 ======================= ======================= 1121 { A = 0, B = 9 } 1122 STORE A=1 1123 <쓰기 배리어> 1124 STORE B=2 1125 LOAD B 1126 LOAD A 1127 1128CPU 1 은 쓰기 배리어를 쳤지만, 별다른 개입이 없다면 CPU 2 는 CPU 1 에서 행해진 1129이벤트의 결과를 무작위적 순서로 인지하게 됩니다. 1130 1131 +-------+ : : : : 1132 | | +------+ +-------+ 1133 | |------>| A=1 |------ --->| A->0 | 1134 | | +------+ \ +-------+ 1135 | CPU 1 | wwwwwwwwwwwwwwww \ --->| B->9 | 1136 | | +------+ | +-------+ 1137 | |------>| B=2 |--- | : : 1138 | | +------+ \ | : : +-------+ 1139 +-------+ : : \ | +-------+ | | 1140 ---------->| B->2 |------>| | 1141 | +-------+ | CPU 2 | 1142 | | A->0 |------>| | 1143 | +-------+ | | 1144 | : : +-------+ 1145 \ : : 1146 \ +-------+ 1147 ---->| A->1 | 1148 +-------+ 1149 : : 1150 1151 1152하지만, 만약 읽기 배리어가 B 의 로드와 A 의 로드 사이에 존재한다면: 1153 1154 CPU 1 CPU 2 1155 ======================= ======================= 1156 { A = 0, B = 9 } 1157 STORE A=1 1158 <쓰기 배리어> 1159 STORE B=2 1160 LOAD B 1161 <읽기 배리어> 1162 LOAD A 1163 1164CPU 1 에 의해 만들어진 부분적 순서가 CPU 2 에도 그대로 인지됩니다: 1165 1166 +-------+ : : : : 1167 | | +------+ +-------+ 1168 | |------>| A=1 |------ --->| A->0 | 1169 | | +------+ \ +-------+ 1170 | CPU 1 | wwwwwwwwwwwwwwww \ --->| B->9 | 1171 | | +------+ | +-------+ 1172 | |------>| B=2 |--- | : : 1173 | | +------+ \ | : : +-------+ 1174 +-------+ : : \ | +-------+ | | 1175 ---------->| B->2 |------>| | 1176 | +-------+ | CPU 2 | 1177 | : : | | 1178 | : : | | 1179 여기서 읽기 배리어는 ----> \ rrrrrrrrrrrrrrrrr | | 1180 B 로의 스토어 전의 \ +-------+ | | 1181 모든 결과를 CPU 2 에 ---->| A->1 |------>| | 1182 보이도록 한다 +-------+ | | 1183 : : +-------+ 1184 1185 1186더 완벽한 설명을 위해, A 의 로드가 읽기 배리어 앞과 뒤에 있으면 어떻게 될지 1187생각해 봅시다: 1188 1189 CPU 1 CPU 2 1190 ======================= ======================= 1191 { A = 0, B = 9 } 1192 STORE A=1 1193 <쓰기 배리어> 1194 STORE B=2 1195 LOAD B 1196 LOAD A [first load of A] 1197 <읽기 배리어> 1198 LOAD A [second load of A] 1199 1200A 의 로드 두개가 모두 B 의 로드 뒤에 있지만, 서로 다른 값을 얻어올 수 1201있습니다: 1202 1203 +-------+ : : : : 1204 | | +------+ +-------+ 1205 | |------>| A=1 |------ --->| A->0 | 1206 | | +------+ \ +-------+ 1207 | CPU 1 | wwwwwwwwwwwwwwww \ --->| B->9 | 1208 | | +------+ | +-------+ 1209 | |------>| B=2 |--- | : : 1210 | | +------+ \ | : : +-------+ 1211 +-------+ : : \ | +-------+ | | 1212 ---------->| B->2 |------>| | 1213 | +-------+ | CPU 2 | 1214 | : : | | 1215 | : : | | 1216 | +-------+ | | 1217 | | A->0 |------>| 1st | 1218 | +-------+ | | 1219 여기서 읽기 배리어는 ----> \ rrrrrrrrrrrrrrrrr | | 1220 B 로의 스토어 전의 \ +-------+ | | 1221 모든 결과를 CPU 2 에 ---->| A->1 |------>| 2nd | 1222 보이도록 한다 +-------+ | | 1223 : : +-------+ 1224 1225 1226하지만 CPU 1 에서의 A 업데이트는 읽기 배리어가 완료되기 전에도 보일 수도 1227있긴 합니다: 1228 1229 +-------+ : : : : 1230 | | +------+ +-------+ 1231 | |------>| A=1 |------ --->| A->0 | 1232 | | +------+ \ +-------+ 1233 | CPU 1 | wwwwwwwwwwwwwwww \ --->| B->9 | 1234 | | +------+ | +-------+ 1235 | |------>| B=2 |--- | : : 1236 | | +------+ \ | : : +-------+ 1237 +-------+ : : \ | +-------+ | | 1238 ---------->| B->2 |------>| | 1239 | +-------+ | CPU 2 | 1240 | : : | | 1241 \ : : | | 1242 \ +-------+ | | 1243 ---->| A->1 |------>| 1st | 1244 +-------+ | | 1245 rrrrrrrrrrrrrrrrr | | 1246 +-------+ | | 1247 | A->1 |------>| 2nd | 1248 +-------+ | | 1249 : : +-------+ 1250 1251 1252여기서 보장되는 건, 만약 B 의 로드가 B == 2 라는 결과를 봤다면, A 에의 두번째 1253로드는 항상 A == 1 을 보게 될 것이라는 겁니다. A 에의 첫번째 로드에는 그런 1254보장이 없습니다; A == 0 이거나 A == 1 이거나 둘 중 하나의 결과를 보게 될겁니다. 1255 1256 1257읽기 메모리 배리어 VS 로드 예측 1258------------------------------- 1259 1260많은 CPU들이 로드를 예측적으로 (speculatively) 합니다: 어떤 데이터를 메모리에서 1261로드해야 하게 될지 예측을 했다면, 해당 데이터를 로드하는 인스트럭션을 실제로는 1262아직 만나지 않았더라도 다른 로드 작업이 없어 버스 (bus) 가 아무 일도 하고 있지 1263않다면, 그 데이터를 로드합니다. 이후에 실제 로드 인스트럭션이 실행되면 CPU 가 1264이미 그 값을 가지고 있기 때문에 그 로드 인스트럭션은 즉시 완료됩니다. 1265 1266해당 CPU 는 실제로는 그 값이 필요치 않았다는 사실이 나중에 드러날 수도 있는데 - 1267해당 로드 인스트럭션이 브랜치로 우회되거나 했을 수 있겠죠 - , 그렇게 되면 앞서 1268읽어둔 값을 버리거나 나중의 사용을 위해 캐시에 넣어둘 수 있습니다. 1269 1270다음을 생각해 봅시다: 1271 1272 CPU 1 CPU 2 1273 ======================= ======================= 1274 LOAD B 1275 DIVIDE } 나누기 명령은 일반적으로 1276 DIVIDE } 긴 시간을 필요로 합니다 1277 LOAD A 1278 1279는 이렇게 될 수 있습니다: 1280 1281 : : +-------+ 1282 +-------+ | | 1283 --->| B->2 |------>| | 1284 +-------+ | CPU 2 | 1285 : :DIVIDE | | 1286 +-------+ | | 1287 나누기 하느라 바쁜 ---> --->| A->0 |~~~~ | | 1288 CPU 는 A 의 LOAD 를 +-------+ ~ | | 1289 예측해서 수행한다 : : ~ | | 1290 : :DIVIDE | | 1291 : : ~ | | 1292 나누기가 끝나면 ---> ---> : : ~-->| | 1293 CPU 는 해당 LOAD 를 : : | | 1294 즉각 완료한다 : : +-------+ 1295 1296 1297읽기 배리어나 데이터 의존성 배리어를 두번째 로드 직전에 놓는다면: 1298 1299 CPU 1 CPU 2 1300 ======================= ======================= 1301 LOAD B 1302 DIVIDE 1303 DIVIDE 1304 <읽기 배리어> 1305 LOAD A 1306 1307예측으로 얻어진 값은 사용된 배리어의 타입에 따라서 해당 값이 옳은지 검토되게 1308됩니다. 만약 해당 메모리 영역에 변화가 없었다면, 예측으로 얻어두었던 값이 1309사용됩니다: 1310 1311 : : +-------+ 1312 +-------+ | | 1313 --->| B->2 |------>| | 1314 +-------+ | CPU 2 | 1315 : :DIVIDE | | 1316 +-------+ | | 1317 나누기 하느라 바쁜 ---> --->| A->0 |~~~~ | | 1318 CPU 는 A 의 LOAD 를 +-------+ ~ | | 1319 예측한다 : : ~ | | 1320 : :DIVIDE | | 1321 : : ~ | | 1322 : : ~ | | 1323 rrrrrrrrrrrrrrrr~ | | 1324 : : ~ | | 1325 : : ~-->| | 1326 : : | | 1327 : : +-------+ 1328 1329 1330하지만 다른 CPU 에서 업데이트나 무효화가 있었다면, 그 예측은 무효화되고 그 값은 1331다시 읽혀집니다: 1332 1333 : : +-------+ 1334 +-------+ | | 1335 --->| B->2 |------>| | 1336 +-------+ | CPU 2 | 1337 : :DIVIDE | | 1338 +-------+ | | 1339 나누기 하느라 바쁜 ---> --->| A->0 |~~~~ | | 1340 CPU 는 A 의 LOAD 를 +-------+ ~ | | 1341 예측한다 : : ~ | | 1342 : :DIVIDE | | 1343 : : ~ | | 1344 : : ~ | | 1345 rrrrrrrrrrrrrrrrr | | 1346 +-------+ | | 1347 예측성 동작은 무효화 되고 ---> --->| A->1 |------>| | 1348 업데이트된 값이 다시 읽혀진다 +-------+ | | 1349 : : +-------+ 1350 1351 1352MULTICOPY 원자성 1353---------------- 1354 1355Multicopy 원자성은 실제의 컴퓨터 시스템에서 항상 제공되지는 않는, 순서 맞추기에 1356대한 상당히 직관적인 개념으로, 특정 스토어가 모든 CPU 들에게 동시에 보여지게 1357됨을, 달리 말하자면 모든 CPU 들이 모든 스토어들이 보여지는 순서를 동의하게 되는 1358것입니다. 하지만, 완전한 multicopy 원자성의 사용은 가치있는 하드웨어 1359최적화들을 무능하게 만들어버릴 수 있어서, 보다 완화된 형태의 ``다른 multicopy 1360원자성'' 라는 이름의, 특정 스토어가 모든 -다른- CPU 들에게는 동시에 보여지게 1361하는 보장을 대신 제공합니다. 이 문서의 뒷부분들은 이 완화된 형태에 대해 논하게 1362됩니다만, 단순히 ``multicopy 원자성'' 이라고 부르겠습니다. 1363 1364다음의 예가 multicopy 원자성을 보입니다: 1365 1366 CPU 1 CPU 2 CPU 3 1367 ======================= ======================= ======================= 1368 { X = 0, Y = 0 } 1369 STORE X=1 r1=LOAD X (reads 1) LOAD Y (reads 1) 1370 <범용 배리어> <읽기 배리어> 1371 STORE Y=r1 LOAD X 1372 1373CPU 2 의 Y 로의 스토어에 사용되는 X 로드의 결과가 1 이었고 CPU 3 의 Y 로드가 13741을 리턴했다고 해봅시다. 이는 CPU 1 의 X 로의 스토어가 CPU 2 의 X 로부터의 1375로드를 앞서고 CPU 2 의 Y 로의 스토어가 CPU 3 의 Y 로부터의 로드를 앞섬을 1376의미합니다. 또한, 여기서의 메모리 배리어들은 CPU 2 가 자신의 로드를 자신의 1377스토어 전에 수행하고, CPU 3 가 Y 로부터의 로드를 X 로부터의 로드 전에 수행함을 1378보장합니다. 그럼 "CPU 3 의 X 로부터의 로드는 0 을 리턴할 수 있을까요?" 1379 1380CPU 3 의 X 로드가 CPU 2 의 로드보다 뒤에 이루어졌으므로, CPU 3 의 X 로부터의 1381로드는 1 을 리턴한다고 예상하는게 당연합니다. 이런 예상은 multicopy 1382원자성으로부터 나옵니다: CPU B 에서 수행된 로드가 CPU A 의 같은 변수로부터의 1383로드를 뒤따른다면 (그리고 CPU A 가 자신이 읽은 값으로 먼저 해당 변수에 스토어 1384하지 않았다면) multicopy 원자성을 제공하는 시스템에서는, CPU B 의 로드가 CPU A 1385의 로드와 같은 값 또는 그 나중 값을 리턴해야만 합니다. 하지만, 리눅스 커널은 1386시스템들이 multicopy 원자성을 제공할 것을 요구하지 않습니다. 1387 1388앞의 범용 메모리 배리어의 사용은 모든 multicopy 원자성의 부족을 보상해줍니다. 1389앞의 예에서, CPU 2 의 X 로부터의 로드가 1 을 리턴했고 CPU 3 의 Y 로부터의 1390로드가 1 을 리턴했다면, CPU 3 의 X 로부터의 로드는 1을 리턴해야만 합니다. 1391 1392하지만, 의존성, 읽기 배리어, 쓰기 배리어는 항상 non-multicopy 원자성을 보상해 1393주지는 않습니다. 예를 들어, CPU 2 의 범용 배리어가 앞의 예에서 사라져서 1394아래처럼 데이터 의존성만 남게 되었다고 해봅시다: 1395 1396 CPU 1 CPU 2 CPU 3 1397 ======================= ======================= ======================= 1398 { X = 0, Y = 0 } 1399 STORE X=1 r1=LOAD X (reads 1) LOAD Y (reads 1) 1400 <데이터 의존성> <읽기 배리어> 1401 STORE Y=r1 LOAD X (reads 0) 1402 1403이 변화는 non-multicopy 원자성이 만연하게 합니다: 이 예에서, CPU 2 의 X 1404로부터의 로드가 1을 리턴하고, CPU 3 의 Y 로부터의 로드가 1 을 리턴하는데, CPU 3 1405의 X 로부터의 로드가 0 을 리턴하는게 완전히 합법적입니다. 1406 1407핵심은, CPU 2 의 데이터 의존성이 자신의 로드와 스토어를 순서짓지만, CPU 1 의 1408스토어에 대한 순서는 보장하지 않는다는 것입니다. 따라서, 이 예제가 CPU 1 과 1409CPU 2 가 스토어 버퍼나 한 수준의 캐시를 공유하는, multicopy 원자성을 제공하지 1410않는 시스템에서 수행된다면 CPU 2 는 CPU 1 의 쓰기에 이른 접근을 할 수도 1411있습니다. 따라서, 모든 CPU 들이 여러 접근들의 조합된 순서에 대해서 동의하게 1412하기 위해서는 범용 배리어가 필요합니다. 1413 1414범용 배리어는 non-multicopy 원자성만 보상할 수 있는게 아니라, -모든- CPU 들이 1415-모든- 오퍼레이션들의 순서를 동일하게 인식하게 하는 추가적인 순서 보장을 1416만들어냅니다. 반대로, release-acquire 짝의 연결은 이런 추가적인 순서는 1417제공하지 않는데, 해당 연결에 들어있는 CPU 들만이 메모리 접근의 조합된 순서에 1418대해 동의할 것으로 보장됨을 의미합니다. 예를 들어, 존경스런 Herman Hollerith 1419의 코드를 C 코드로 변환하면: 1420 1421 int u, v, x, y, z; 1422 1423 void cpu0(void) 1424 { 1425 r0 = smp_load_acquire(&x); 1426 WRITE_ONCE(u, 1); 1427 smp_store_release(&y, 1); 1428 } 1429 1430 void cpu1(void) 1431 { 1432 r1 = smp_load_acquire(&y); 1433 r4 = READ_ONCE(v); 1434 r5 = READ_ONCE(u); 1435 smp_store_release(&z, 1); 1436 } 1437 1438 void cpu2(void) 1439 { 1440 r2 = smp_load_acquire(&z); 1441 smp_store_release(&x, 1); 1442 } 1443 1444 void cpu3(void) 1445 { 1446 WRITE_ONCE(v, 1); 1447 smp_mb(); 1448 r3 = READ_ONCE(u); 1449 } 1450 1451cpu0(), cpu1(), 그리고 cpu2() 는 smp_store_release()/smp_load_acquire() 쌍의 1452연결에 참여되어 있으므로, 다음과 같은 결과는 나오지 않을 겁니다: 1453 1454 r0 == 1 && r1 == 1 && r2 == 1 1455 1456더 나아가서, cpu0() 와 cpu1() 사이의 release-acquire 관계로 인해, cpu1() 은 1457cpu0() 의 쓰기를 봐야만 하므로, 다음과 같은 결과도 없을 겁니다: 1458 1459 r1 == 1 && r5 == 0 1460 1461하지만, release-acquire 에 의해 제공되는 순서는 해당 연결에 동참한 CPU 들에만 1462적용되므로 cpu3() 에, 적어도 스토어들 외에는 적용되지 않습니다. 따라서, 다음과 1463같은 결과가 가능합니다: 1464 1465 r0 == 0 && r1 == 1 && r2 == 1 && r3 == 0 && r4 == 0 1466 1467비슷하게, 다음과 같은 결과도 가능합니다: 1468 1469 r0 == 0 && r1 == 1 && r2 == 1 && r3 == 0 && r4 == 0 && r5 == 1 1470 1471cpu0(), cpu1(), 그리고 cpu2() 는 그들의 읽기와 쓰기를 순서대로 보게 되지만, 1472release-acquire 체인에 관여되지 않은 CPU 들은 그 순서에 이견을 가질 수 1473있습니다. 이런 이견은 smp_load_acquire() 와 smp_store_release() 의 구현에 1474사용되는 완화된 메모리 배리어 인스트럭션들은 항상 배리어 앞의 스토어들을 뒤의 1475로드들에 앞세울 필요는 없다는 사실에서 기인합니다. 이 말은 cpu3() 는 cpu0() 의 1476u 로의 스토어를 cpu1() 의 v 로부터의 로드 뒤에 일어난 것으로 볼 수 있다는 1477뜻입니다, cpu0() 와 cpu1() 은 이 두 오퍼레이션이 의도된 순서대로 일어났음에 1478모두 동의하는데도 말입니다. 1479 1480하지만, smp_load_acquire() 는 마술이 아님을 명심하시기 바랍니다. 구체적으로, 1481이 함수는 단순히 순서 규칙을 지키며 인자로부터의 읽기를 수행합니다. 이것은 1482어떤 특정한 값이 읽힐 것인지는 보장하지 -않습니다-. 따라서, 다음과 같은 결과도 1483가능합니다: 1484 1485 r0 == 0 && r1 == 0 && r2 == 0 && r5 == 0 1486 1487이런 결과는 어떤 것도 재배치 되지 않는, 순차적 일관성을 가진 가상의 1488시스템에서도 일어날 수 있음을 기억해 두시기 바랍니다. 1489 1490다시 말하지만, 당신의 코드가 모든 오퍼레이션들의 완전한 순서를 필요로 한다면, 1491범용 배리어를 사용하십시오. 1492 1493 1494================== 1495명시적 커널 배리어 1496================== 1497 1498리눅스 커널은 서로 다른 단계에서 동작하는 다양한 배리어들을 가지고 있습니다: 1499 1500 (*) 컴파일러 배리어. 1501 1502 (*) CPU 메모리 배리어. 1503 1504 (*) MMIO 쓰기 배리어. 1505 1506 1507컴파일러 배리어 1508--------------- 1509 1510리눅스 커널은 컴파일러가 메모리 액세스를 재배치 하는 것을 막아주는 명시적인 1511컴파일러 배리어를 가지고 있습니다: 1512 1513 barrier(); 1514 1515이건 범용 배리어입니다 -- barrier() 의 읽기-읽기 나 쓰기-쓰기 변종은 없습니다. 1516하지만, READ_ONCE() 와 WRITE_ONCE() 는 특정 액세스들에 대해서만 동작하는 1517barrier() 의 완화된 형태로 볼 수 있습니다. 1518 1519barrier() 함수는 다음과 같은 효과를 갖습니다: 1520 1521 (*) 컴파일러가 barrier() 뒤의 액세스들이 barrier() 앞의 액세스보다 앞으로 1522 재배치되지 못하게 합니다. 예를 들어, 인터럽트 핸들러 코드와 인터럽트 당한 1523 코드 사이의 통신을 신중히 하기 위해 사용될 수 있습니다. 1524 1525 (*) 루프에서, 컴파일러가 루프 조건에 사용된 변수를 매 이터레이션마다 1526 메모리에서 로드하지 않아도 되도록 최적화 하는걸 방지합니다. 1527 1528READ_ONCE() 와 WRITE_ONCE() 함수는 싱글 쓰레드 코드에서는 문제 없지만 동시성이 1529있는 코드에서는 문제가 될 수 있는 모든 최적화를 막습니다. 이런 류의 최적화에 1530대한 예를 몇가지 들어보면 다음과 같습니다: 1531 1532 (*) 컴파일러는 같은 변수에 대한 로드와 스토어를 재배치 할 수 있고, 어떤 1533 경우에는 CPU가 같은 변수로부터의 로드들을 재배치할 수도 있습니다. 이는 1534 다음의 코드가: 1535 1536 a[0] = x; 1537 a[1] = x; 1538 1539 x 의 예전 값이 a[1] 에, 새 값이 a[0] 에 있게 할 수 있다는 뜻입니다. 1540 컴파일러와 CPU가 이런 일을 못하게 하려면 다음과 같이 해야 합니다: 1541 1542 a[0] = READ_ONCE(x); 1543 a[1] = READ_ONCE(x); 1544 1545 즉, READ_ONCE() 와 WRITE_ONCE() 는 여러 CPU 에서 하나의 변수에 가해지는 1546 액세스들에 캐시 일관성을 제공합니다. 1547 1548 (*) 컴파일러는 같은 변수에 대한 연속적인 로드들을 병합할 수 있습니다. 그런 1549 병합 작업으로 컴파일러는 다음의 코드를: 1550 1551 while (tmp = a) 1552 do_something_with(tmp); 1553 1554 다음과 같이, 싱글 쓰레드 코드에서는 말이 되지만 개발자의 의도와 전혀 맞지 1555 않는 방향으로 "최적화" 할 수 있습니다: 1556 1557 if (tmp = a) 1558 for (;;) 1559 do_something_with(tmp); 1560 1561 컴파일러가 이런 짓을 하지 못하게 하려면 READ_ONCE() 를 사용하세요: 1562 1563 while (tmp = READ_ONCE(a)) 1564 do_something_with(tmp); 1565 1566 (*) 예컨대 레지스터 사용량이 많아 컴파일러가 모든 데이터를 레지스터에 담을 수 1567 없는 경우, 컴파일러는 변수를 다시 로드할 수 있습니다. 따라서 컴파일러는 1568 앞의 예에서 변수 'tmp' 사용을 최적화로 없애버릴 수 있습니다: 1569 1570 while (tmp = a) 1571 do_something_with(tmp); 1572 1573 이 코드는 다음과 같이 싱글 쓰레드에서는 완벽하지만 동시성이 존재하는 1574 경우엔 치명적인 코드로 바뀔 수 있습니다: 1575 1576 while (a) 1577 do_something_with(a); 1578 1579 예를 들어, 최적화된 이 코드는 변수 a 가 다른 CPU 에 의해 "while" 문과 1580 do_something_with() 호출 사이에 바뀌어 do_something_with() 에 0을 넘길 1581 수도 있습니다. 1582 1583 이번에도, 컴파일러가 그런 짓을 하는걸 막기 위해 READ_ONCE() 를 사용하세요: 1584 1585 while (tmp = READ_ONCE(a)) 1586 do_something_with(tmp); 1587 1588 레지스터가 부족한 상황을 겪는 경우, 컴파일러는 tmp 를 스택에 저장해둘 수도 1589 있습니다. 컴파일러가 변수를 다시 읽어들이는건 이렇게 저장해두고 후에 다시 1590 읽어들이는데 드는 오버헤드 때문입니다. 그렇게 하는게 싱글 쓰레드 1591 코드에서는 안전하므로, 안전하지 않은 경우에는 컴파일러에게 직접 알려줘야 1592 합니다. 1593 1594 (*) 컴파일러는 그 값이 무엇일지 알고 있다면 로드를 아예 안할 수도 있습니다. 1595 예를 들어, 다음의 코드는 변수 'a' 의 값이 항상 0임을 증명할 수 있다면: 1596 1597 while (tmp = a) 1598 do_something_with(tmp); 1599 1600 이렇게 최적화 되어버릴 수 있습니다: 1601 1602 do { } while (0); 1603 1604 이 변환은 싱글 쓰레드 코드에서는 도움이 되는데 로드와 브랜치를 제거했기 1605 때문입니다. 문제는 컴파일러가 'a' 의 값을 업데이트 하는건 현재의 CPU 하나 1606 뿐이라는 가정 위에서 증명을 했다는데 있습니다. 만약 변수 'a' 가 공유되어 1607 있다면, 컴파일러의 증명은 틀린 것이 될겁니다. 컴파일러는 그 자신이 1608 생각하는 것만큼 많은 것을 알고 있지 못함을 컴파일러에게 알리기 위해 1609 READ_ONCE() 를 사용하세요: 1610 1611 while (tmp = READ_ONCE(a)) 1612 do_something_with(tmp); 1613 1614 하지만 컴파일러는 READ_ONCE() 뒤에 나오는 값에 대해서도 눈길을 두고 있음을 1615 기억하세요. 예를 들어, 다음의 코드에서 MAX 는 전처리기 매크로로, 1의 값을 1616 갖는다고 해봅시다: 1617 1618 while ((tmp = READ_ONCE(a)) % MAX) 1619 do_something_with(tmp); 1620 1621 이렇게 되면 컴파일러는 MAX 를 가지고 수행되는 "%" 오퍼레이터의 결과가 항상 1622 0이라는 것을 알게 되고, 컴파일러가 코드를 실질적으로는 존재하지 않는 1623 것처럼 최적화 하는 것이 허용되어 버립니다. ('a' 변수의 로드는 여전히 1624 행해질 겁니다.) 1625 1626 (*) 비슷하게, 컴파일러는 변수가 저장하려 하는 값을 이미 가지고 있다는 것을 1627 알면 스토어 자체를 제거할 수 있습니다. 이번에도, 컴파일러는 현재의 CPU 1628 만이 그 변수에 값을 쓰는 오로지 하나의 존재라고 생각하여 공유된 변수에 1629 대해서는 잘못된 일을 하게 됩니다. 예를 들어, 다음과 같은 경우가 있을 수 1630 있습니다: 1631 1632 a = 0; 1633 ... 변수 a 에 스토어를 하지 않는 코드 ... 1634 a = 0; 1635 1636 컴파일러는 변수 'a' 의 값은 이미 0이라는 것을 알고, 따라서 두번째 스토어를 1637 삭제할 겁니다. 만약 다른 CPU 가 그 사이 변수 'a' 에 다른 값을 썼다면 1638 황당한 결과가 나올 겁니다. 1639 1640 컴파일러가 그런 잘못된 추측을 하지 않도록 WRITE_ONCE() 를 사용하세요: 1641 1642 WRITE_ONCE(a, 0); 1643 ... 변수 a 에 스토어를 하지 않는 코드 ... 1644 WRITE_ONCE(a, 0); 1645 1646 (*) 컴파일러는 하지 말라고 하지 않으면 메모리 액세스들을 재배치 할 수 1647 있습니다. 예를 들어, 다음의 프로세스 레벨 코드와 인터럽트 핸들러 사이의 1648 상호작용을 생각해 봅시다: 1649 1650 void process_level(void) 1651 { 1652 msg = get_message(); 1653 flag = true; 1654 } 1655 1656 void interrupt_handler(void) 1657 { 1658 if (flag) 1659 process_message(msg); 1660 } 1661 1662 이 코드에는 컴파일러가 process_level() 을 다음과 같이 변환하는 것을 막을 1663 수단이 없고, 이런 변환은 싱글쓰레드에서라면 실제로 훌륭한 선택일 수 1664 있습니다: 1665 1666 void process_level(void) 1667 { 1668 flag = true; 1669 msg = get_message(); 1670 } 1671 1672 이 두개의 문장 사이에 인터럽트가 발생한다면, interrupt_handler() 는 의미를 1673 알 수 없는 메세지를 받을 수도 있습니다. 이걸 막기 위해 다음과 같이 1674 WRITE_ONCE() 를 사용하세요: 1675 1676 void process_level(void) 1677 { 1678 WRITE_ONCE(msg, get_message()); 1679 WRITE_ONCE(flag, true); 1680 } 1681 1682 void interrupt_handler(void) 1683 { 1684 if (READ_ONCE(flag)) 1685 process_message(READ_ONCE(msg)); 1686 } 1687 1688 interrupt_handler() 안에서도 중첩된 인터럽트나 NMI 와 같이 인터럽트 핸들러 1689 역시 'flag' 와 'msg' 에 접근하는 또다른 무언가에 인터럽트 될 수 있다면 1690 READ_ONCE() 와 WRITE_ONCE() 를 사용해야 함을 기억해 두세요. 만약 그런 1691 가능성이 없다면, interrupt_handler() 안에서는 문서화 목적이 아니라면 1692 READ_ONCE() 와 WRITE_ONCE() 는 필요치 않습니다. (근래의 리눅스 커널에서 1693 중첩된 인터럽트는 보통 잘 일어나지 않음도 기억해 두세요, 실제로, 어떤 1694 인터럽트 핸들러가 인터럽트가 활성화된 채로 리턴하면 WARN_ONCE() 가 1695 실행됩니다.) 1696 1697 컴파일러는 READ_ONCE() 와 WRITE_ONCE() 뒤의 READ_ONCE() 나 WRITE_ONCE(), 1698 barrier(), 또는 비슷한 것들을 담고 있지 않은 코드를 움직일 수 있을 것으로 1699 가정되어야 합니다. 1700 1701 이 효과는 barrier() 를 통해서도 만들 수 있지만, READ_ONCE() 와 1702 WRITE_ONCE() 가 좀 더 안목 높은 선택입니다: READ_ONCE() 와 WRITE_ONCE()는 1703 컴파일러에 주어진 메모리 영역에 대해서만 최적화 가능성을 포기하도록 1704 하지만, barrier() 는 컴파일러가 지금까지 기계의 레지스터에 캐시해 놓은 1705 모든 메모리 영역의 값을 버려야 하게 하기 때문입니다. 물론, 컴파일러는 1706 READ_ONCE() 와 WRITE_ONCE() 가 일어난 순서도 지켜줍니다, CPU 는 당연히 1707 그 순서를 지킬 의무가 없지만요. 1708 1709 (*) 컴파일러는 다음의 예에서와 같이 변수에의 스토어를 날조해낼 수도 있습니다: 1710 1711 if (a) 1712 b = a; 1713 else 1714 b = 42; 1715 1716 컴파일러는 아래와 같은 최적화로 브랜치를 줄일 겁니다: 1717 1718 b = 42; 1719 if (a) 1720 b = a; 1721 1722 싱글 쓰레드 코드에서 이 최적화는 안전할 뿐 아니라 브랜치 갯수를 1723 줄여줍니다. 하지만 안타깝게도, 동시성이 있는 코드에서는 이 최적화는 다른 1724 CPU 가 'b' 를 로드할 때, -- 'a' 가 0이 아닌데도 -- 가짜인 값, 42를 보게 1725 되는 경우를 가능하게 합니다. 이걸 방지하기 위해 WRITE_ONCE() 를 1726 사용하세요: 1727 1728 if (a) 1729 WRITE_ONCE(b, a); 1730 else 1731 WRITE_ONCE(b, 42); 1732 1733 컴파일러는 로드를 만들어낼 수도 있습니다. 일반적으로는 문제를 일으키지 1734 않지만, 캐시 라인 바운싱을 일으켜 성능과 확장성을 떨어뜨릴 수 있습니다. 1735 날조된 로드를 막기 위해선 READ_ONCE() 를 사용하세요. 1736 1737 (*) 정렬된 메모리 주소에 위치한, 한번의 메모리 참조 인스트럭션으로 액세스 1738 가능한 크기의 데이터는 하나의 큰 액세스가 여러개의 작은 액세스들로 1739 대체되는 "로드 티어링(load tearing)" 과 "스토어 티어링(store tearing)" 을 1740 방지합니다. 예를 들어, 주어진 아키텍쳐가 7-bit imeediate field 를 갖는 1741 16-bit 스토어 인스트럭션을 제공한다면, 컴파일러는 다음의 32-bit 스토어를 1742 구현하는데에 두개의 16-bit store-immediate 명령을 사용하려 할겁니다: 1743 1744 p = 0x00010002; 1745 1746 스토어 할 상수를 만들고 그 값을 스토어 하기 위해 두개가 넘는 인스트럭션을 1747 사용하게 되는, 이런 종류의 최적화를 GCC 는 실제로 함을 부디 알아 두십시오. 1748 이 최적화는 싱글 쓰레드 코드에서는 성공적인 최적화 입니다. 실제로, 근래에 1749 발생한 (그리고 고쳐진) 버그는 GCC 가 volatile 스토어에 비정상적으로 이 1750 최적화를 사용하게 했습니다. 그런 버그가 없다면, 다음의 예에서 1751 WRITE_ONCE() 의 사용은 스토어 티어링을 방지합니다: 1752 1753 WRITE_ONCE(p, 0x00010002); 1754 1755 Packed 구조체의 사용 역시 다음의 예처럼 로드 / 스토어 티어링을 유발할 수 1756 있습니다: 1757 1758 struct __attribute__((__packed__)) foo { 1759 short a; 1760 int b; 1761 short c; 1762 }; 1763 struct foo foo1, foo2; 1764 ... 1765 1766 foo2.a = foo1.a; 1767 foo2.b = foo1.b; 1768 foo2.c = foo1.c; 1769 1770 READ_ONCE() 나 WRITE_ONCE() 도 없고 volatile 마킹도 없기 때문에, 1771 컴파일러는 이 세개의 대입문을 두개의 32-bit 로드와 두개의 32-bit 스토어로 1772 변환할 수 있습니다. 이는 'foo1.b' 의 값의 로드 티어링과 'foo2.b' 의 1773 스토어 티어링을 초래할 겁니다. 이 예에서도 READ_ONCE() 와 WRITE_ONCE() 1774 가 티어링을 막을 수 있습니다: 1775 1776 foo2.a = foo1.a; 1777 WRITE_ONCE(foo2.b, READ_ONCE(foo1.b)); 1778 foo2.c = foo1.c; 1779 1780그렇지만, volatile 로 마크된 변수에 대해서는 READ_ONCE() 와 WRITE_ONCE() 가 1781필요치 않습니다. 예를 들어, 'jiffies' 는 volatile 로 마크되어 있기 때문에, 1782READ_ONCE(jiffies) 라고 할 필요가 없습니다. READ_ONCE() 와 WRITE_ONCE() 가 1783실은 volatile 캐스팅으로 구현되어 있어서 인자가 이미 volatile 로 마크되어 1784있다면 또다른 효과를 내지는 않기 때문입니다. 1785 1786이 컴파일러 배리어들은 CPU 에는 직접적 효과를 전혀 만들지 않기 때문에, 결국은 1787재배치가 일어날 수도 있음을 부디 기억해 두십시오. 1788 1789 1790CPU 메모리 배리어 1791----------------- 1792 1793리눅스 커널은 다음의 여덟개 기본 CPU 메모리 배리어를 가지고 있습니다: 1794 1795 TYPE MANDATORY SMP CONDITIONAL 1796 =============== ======================= =========================== 1797 범용 mb() smp_mb() 1798 쓰기 wmb() smp_wmb() 1799 읽기 rmb() smp_rmb() 1800 데이터 의존성 READ_ONCE() 1801 1802 1803데이터 의존성 배리어를 제외한 모든 메모리 배리어는 컴파일러 배리어를 1804포함합니다. 데이터 의존성은 컴파일러에의 추가적인 순서 보장을 포함하지 1805않습니다. 1806 1807방백: 데이터 의존성이 있는 경우, 컴파일러는 해당 로드를 올바른 순서로 일으킬 1808것으로 (예: `a[b]` 는 a[b] 를 로드 하기 전에 b 의 값을 먼저 로드한다) 1809기대되지만, C 언어 사양에는 컴파일러가 b 의 값을 추측 (예: 1 과 같음) 해서 1810b 로드 전에 a 로드를 하는 코드 (예: tmp = a[1]; if (b != 1) tmp = a[b]; ) 를 1811만들지 않아야 한다는 내용 같은 건 없습니다. 또한 컴파일러는 a[b] 를 로드한 1812후에 b 를 또다시 로드할 수도 있어서, a[b] 보다 최신 버전의 b 값을 가질 수도 1813있습니다. 이런 문제들의 해결책에 대한 의견 일치는 아직 없습니다만, 일단 1814READ_ONCE() 매크로부터 보기 시작하는게 좋은 시작이 될겁니다. 1815 1816SMP 메모리 배리어들은 유니프로세서로 컴파일된 시스템에서는 컴파일러 배리어로 1817바뀌는데, 하나의 CPU 는 스스로 일관성을 유지하고, 겹치는 액세스들 역시 올바른 1818순서로 행해질 것으로 생각되기 때문입니다. 하지만, 아래의 "Virtual Machine 1819Guests" 서브섹션을 참고하십시오. 1820 1821[!] SMP 시스템에서 공유메모리로의 접근들을 순서 세워야 할 때, SMP 메모리 1822배리어는 _반드시_ 사용되어야 함을 기억하세요, 그대신 락을 사용하는 것으로도 1823충분하긴 하지만 말이죠. 1824 1825Mandatory 배리어들은 SMP 시스템에서도 UP 시스템에서도 SMP 효과만 통제하기에는 1826불필요한 오버헤드를 갖기 때문에 SMP 효과만 통제하면 되는 곳에는 사용되지 않아야 1827합니다. 하지만, 느슨한 순서 규칙의 메모리 I/O 윈도우를 통한 MMIO 의 효과를 1828통제할 때에는 mandatory 배리어들이 사용될 수 있습니다. 이 배리어들은 1829컴파일러와 CPU 모두 재배치를 못하도록 함으로써 메모리 오퍼레이션들이 디바이스에 1830보여지는 순서에도 영향을 주기 때문에, SMP 가 아닌 시스템이라 할지라도 필요할 수 1831있습니다. 1832 1833 1834일부 고급 배리어 함수들도 있습니다: 1835 1836 (*) smp_store_mb(var, value) 1837 1838 이 함수는 특정 변수에 특정 값을 대입하고 범용 메모리 배리어를 칩니다. 1839 UP 컴파일에서는 컴파일러 배리어보다 더한 것을 친다고는 보장되지 않습니다. 1840 1841 1842 (*) smp_mb__before_atomic(); 1843 (*) smp_mb__after_atomic(); 1844 1845 이것들은 값을 리턴하지 않는 (더하기, 빼기, 증가, 감소와 같은) 어토믹 1846 함수들을 위한, 특히 그것들이 레퍼런스 카운팅에 사용될 때를 위한 1847 함수들입니다. 이 함수들은 메모리 배리어를 내포하고 있지는 않습니다. 1848 1849 이것들은 값을 리턴하지 않으며 어토믹한 (set_bit 과 clear_bit 같은) 비트 1850 연산에도 사용될 수 있습니다. 1851 1852 한 예로, 객체 하나를 무효한 것으로 표시하고 그 객체의 레퍼런스 카운트를 1853 감소시키는 다음 코드를 보세요: 1854 1855 obj->dead = 1; 1856 smp_mb__before_atomic(); 1857 atomic_dec(&obj->ref_count); 1858 1859 이 코드는 객체의 업데이트된 death 마크가 레퍼런스 카운터 감소 동작 1860 *전에* 보일 것을 보장합니다. 1861 1862 더 많은 정보를 위해선 Documentation/atomic_{t,bitops}.txt 문서를 1863 참고하세요. 1864 1865 1866 (*) dma_wmb(); 1867 (*) dma_rmb(); 1868 1869 이것들은 CPU 와 DMA 가능한 디바이스에서 모두 액세스 가능한 공유 메모리의 1870 읽기, 쓰기 작업들의 순서를 보장하기 위해 consistent memory 에서 사용하기 1871 위한 것들입니다. 1872 1873 예를 들어, 디바이스와 메모리를 공유하며, 디스크립터 상태 값을 사용해 1874 디스크립터가 디바이스에 속해 있는지 아니면 CPU 에 속해 있는지 표시하고, 1875 공지용 초인종(doorbell) 을 사용해 업데이트된 디스크립터가 디바이스에 사용 1876 가능해졌음을 공지하는 디바이스 드라이버를 생각해 봅시다: 1877 1878 if (desc->status != DEVICE_OWN) { 1879 /* 디스크립터를 소유하기 전에는 데이터를 읽지 않음 */ 1880 dma_rmb(); 1881 1882 /* 데이터를 읽고 씀 */ 1883 read_data = desc->data; 1884 desc->data = write_data; 1885 1886 /* 상태 업데이트 전 수정사항을 반영 */ 1887 dma_wmb(); 1888 1889 /* 소유권을 수정 */ 1890 desc->status = DEVICE_OWN; 1891 1892 /* 업데이트된 디스크립터의 디바이스에 공지 */ 1893 writel(DESC_NOTIFY, doorbell); 1894 } 1895 1896 dma_rmb() 는 디스크립터로부터 데이터를 읽어오기 전에 디바이스가 소유권을 1897 내려놓았을 것을 보장하고, dma_wmb() 는 디바이스가 자신이 소유권을 다시 1898 가졌음을 보기 전에 디스크립터에 데이터가 쓰였을 것을 보장합니다. 참고로, 1899 writel() 을 사용하면 캐시 일관성이 있는 메모리 (cache coherent memory) 1900 쓰기가 MMIO 영역에의 쓰기 전에 완료되었을 것을 보장하므로 writel() 앞에 1901 wmb() 를 실행할 필요가 없음을 알아두시기 바랍니다. writel() 보다 비용이 1902 저렴한 writel_relaxed() 는 이런 보장을 제공하지 않으므로 여기선 사용되지 1903 않아야 합니다. 1904 1905 writel_relaxed() 와 같은 완화된 I/O 접근자들에 대한 자세한 내용을 위해서는 1906 "커널 I/O 배리어의 효과" 섹션을, consistent memory 에 대한 자세한 내용을 1907 위해선 Documentation/DMA-API.txt 문서를 참고하세요. 1908 1909 1910MMIO 쓰기 배리어 1911---------------- 1912 1913리눅스 커널은 또한 memory-mapped I/O 쓰기를 위한 특별한 배리어도 가지고 1914있습니다: 1915 1916 mmiowb(); 1917 1918이것은 mandatory 쓰기 배리어의 변종으로, 완화된 순서 규칙의 I/O 영역에으로의 1919쓰기가 부분적으로 순서를 맞추도록 해줍니다. 이 함수는 CPU->하드웨어 사이를 1920넘어서 실제 하드웨어에까지 일부 수준의 영향을 끼칩니다. 1921 1922더 많은 정보를 위해선 "Acquire vs I/O 액세스" 서브섹션을 참고하세요. 1923 1924 1925========================= 1926암묵적 커널 메모리 배리어 1927========================= 1928 1929리눅스 커널의 일부 함수들은 메모리 배리어를 내장하고 있는데, 락(lock)과 1930스케쥴링 관련 함수들이 대부분입니다. 1931 1932여기선 _최소한의_ 보장을 설명합니다; 특정 아키텍쳐에서는 이 설명보다 더 많은 1933보장을 제공할 수도 있습니다만 해당 아키텍쳐에 종속적인 코드 외의 부분에서는 1934그런 보장을 기대해선 안될겁니다. 1935 1936 1937락 ACQUISITION 함수 1938------------------- 1939 1940리눅스 커널은 다양한 락 구성체를 가지고 있습니다: 1941 1942 (*) 스핀 락 1943 (*) R/W 스핀 락 1944 (*) 뮤텍스 1945 (*) 세마포어 1946 (*) R/W 세마포어 1947 1948각 구성체마다 모든 경우에 "ACQUIRE" 오퍼레이션과 "RELEASE" 오퍼레이션의 변종이 1949존재합니다. 이 오퍼레이션들은 모두 적절한 배리어를 내포하고 있습니다: 1950 1951 (1) ACQUIRE 오퍼레이션의 영향: 1952 1953 ACQUIRE 뒤에서 요청된 메모리 오퍼레이션은 ACQUIRE 오퍼레이션이 완료된 1954 뒤에 완료됩니다. 1955 1956 ACQUIRE 앞에서 요청된 메모리 오퍼레이션은 ACQUIRE 오퍼레이션이 완료된 후에 1957 완료될 수 있습니다. 1958 1959 (2) RELEASE 오퍼레이션의 영향: 1960 1961 RELEASE 앞에서 요청된 메모리 오퍼레이션은 RELEASE 오퍼레이션이 완료되기 1962 전에 완료됩니다. 1963 1964 RELEASE 뒤에서 요청된 메모리 오퍼레이션은 RELEASE 오퍼레이션 완료 전에 1965 완료될 수 있습니다. 1966 1967 (3) ACQUIRE vs ACQUIRE 영향: 1968 1969 어떤 ACQUIRE 오퍼레이션보다 앞에서 요청된 모든 ACQUIRE 오퍼레이션은 그 1970 ACQUIRE 오퍼레이션 전에 완료됩니다. 1971 1972 (4) ACQUIRE vs RELEASE implication: 1973 1974 어떤 RELEASE 오퍼레이션보다 앞서 요청된 ACQUIRE 오퍼레이션은 그 RELEASE 1975 오퍼레이션보다 먼저 완료됩니다. 1976 1977 (5) 실패한 조건적 ACQUIRE 영향: 1978 1979 ACQUIRE 오퍼레이션의 일부 락(lock) 변종은 락이 곧바로 획득하기에는 1980 불가능한 상태이거나 락이 획득 가능해지도록 기다리는 도중 시그널을 받거나 1981 해서 실패할 수 있습니다. 실패한 락은 어떤 배리어도 내포하지 않습니다. 1982 1983[!] 참고: 락 ACQUIRE 와 RELEASE 가 단방향 배리어여서 나타나는 현상 중 하나는 1984크리티컬 섹션 바깥의 인스트럭션의 영향이 크리티컬 섹션 내부로도 들어올 수 1985있다는 것입니다. 1986 1987RELEASE 후에 요청되는 ACQUIRE 는 전체 메모리 배리어라 여겨지면 안되는데, 1988ACQUIRE 앞의 액세스가 ACQUIRE 후에 수행될 수 있고, RELEASE 후의 액세스가 1989RELEASE 전에 수행될 수도 있으며, 그 두개의 액세스가 서로를 지나칠 수도 있기 1990때문입니다: 1991 1992 *A = a; 1993 ACQUIRE M 1994 RELEASE M 1995 *B = b; 1996 1997는 다음과 같이 될 수도 있습니다: 1998 1999 ACQUIRE M, STORE *B, STORE *A, RELEASE M 2000 2001ACQUIRE 와 RELEASE 가 락 획득과 해제라면, 그리고 락의 ACQUIRE 와 RELEASE 가 2002같은 락 변수에 대한 것이라면, 해당 락을 쥐고 있지 않은 다른 CPU 의 시야에는 2003이와 같은 재배치가 일어나는 것으로 보일 수 있습니다. 요약하자면, ACQUIRE 에 2004이어 RELEASE 오퍼레이션을 순차적으로 실행하는 행위가 전체 메모리 배리어로 2005생각되어선 -안됩니다-. 2006 2007비슷하게, 앞의 반대 케이스인 RELEASE 와 ACQUIRE 두개 오퍼레이션의 순차적 실행 2008역시 전체 메모리 배리어를 내포하지 않습니다. 따라서, RELEASE, ACQUIRE 로 2009규정되는 크리티컬 섹션의 CPU 수행은 RELEASE 와 ACQUIRE 를 가로지를 수 있으므로, 2010다음과 같은 코드는: 2011 2012 *A = a; 2013 RELEASE M 2014 ACQUIRE N 2015 *B = b; 2016 2017다음과 같이 수행될 수 있습니다: 2018 2019 ACQUIRE N, STORE *B, STORE *A, RELEASE M 2020 2021이런 재배치는 데드락을 일으킬 수도 있을 것처럼 보일 수 있습니다. 하지만, 그런 2022데드락의 조짐이 있다면 RELEASE 는 단순히 완료될 것이므로 데드락은 존재할 수 2023없습니다. 2024 2025 이게 어떻게 올바른 동작을 할 수 있을까요? 2026 2027 우리가 이야기 하고 있는건 재배치를 하는 CPU 에 대한 이야기이지, 2028 컴파일러에 대한 것이 아니란 점이 핵심입니다. 컴파일러 (또는, 개발자) 2029 가 오퍼레이션들을 이렇게 재배치하면, 데드락이 일어날 수 -있습-니다. 2030 2031 하지만 CPU 가 오퍼레이션들을 재배치 했다는걸 생각해 보세요. 이 예에서, 2032 어셈블리 코드 상으로는 언락이 락을 앞서게 되어 있습니다. CPU 가 이를 2033 재배치해서 뒤의 락 오퍼레이션을 먼저 실행하게 됩니다. 만약 데드락이 2034 존재한다면, 이 락 오퍼레이션은 그저 스핀을 하며 계속해서 락을 2035 시도합니다 (또는, 한참 후에겠지만, 잠듭니다). CPU 는 언젠가는 2036 (어셈블리 코드에서는 락을 앞서는) 언락 오퍼레이션을 실행하는데, 이 언락 2037 오퍼레이션이 잠재적 데드락을 해결하고, 락 오퍼레이션도 뒤이어 성공하게 2038 됩니다. 2039 2040 하지만 만약 락이 잠을 자는 타입이었다면요? 그런 경우에 코드는 2041 스케쥴러로 들어가려 할 거고, 여기서 결국은 메모리 배리어를 만나게 2042 되는데, 이 메모리 배리어는 앞의 언락 오퍼레이션이 완료되도록 만들고, 2043 데드락은 이번에도 해결됩니다. 잠을 자는 행위와 언락 사이의 경주 상황 2044 (race) 도 있을 수 있겠습니다만, 락 관련 기능들은 그런 경주 상황을 모든 2045 경우에 제대로 해결할 수 있어야 합니다. 2046 2047락과 세마포어는 UP 컴파일된 시스템에서의 순서에 대해 보장을 하지 않기 때문에, 2048그런 상황에서 인터럽트 비활성화 오퍼레이션과 함께가 아니라면 어떤 일에도 - 특히 2049I/O 액세스와 관련해서는 - 제대로 사용될 수 없을 겁니다. 2050 2051"CPU 간 ACQUIRING 배리어 효과" 섹션도 참고하시기 바랍니다. 2052 2053 2054예를 들어, 다음과 같은 코드를 생각해 봅시다: 2055 2056 *A = a; 2057 *B = b; 2058 ACQUIRE 2059 *C = c; 2060 *D = d; 2061 RELEASE 2062 *E = e; 2063 *F = f; 2064 2065여기선 다음의 이벤트 시퀀스가 생길 수 있습니다: 2066 2067 ACQUIRE, {*F,*A}, *E, {*C,*D}, *B, RELEASE 2068 2069 [+] {*F,*A} 는 조합된 액세스를 의미합니다. 2070 2071하지만 다음과 같은 건 불가능하죠: 2072 2073 {*F,*A}, *B, ACQUIRE, *C, *D, RELEASE, *E 2074 *A, *B, *C, ACQUIRE, *D, RELEASE, *E, *F 2075 *A, *B, ACQUIRE, *C, RELEASE, *D, *E, *F 2076 *B, ACQUIRE, *C, *D, RELEASE, {*F,*A}, *E 2077 2078 2079 2080인터럽트 비활성화 함수 2081---------------------- 2082 2083인터럽트를 비활성화 하는 함수 (ACQUIRE 와 동일) 와 인터럽트를 활성화 하는 함수 2084(RELEASE 와 동일) 는 컴파일러 배리어처럼만 동작합니다. 따라서, 별도의 메모리 2085배리어나 I/O 배리어가 필요한 상황이라면 그 배리어들은 인터럽트 비활성화 함수 2086외의 방법으로 제공되어야만 합니다. 2087 2088 2089슬립과 웨이크업 함수 2090-------------------- 2091 2092글로벌 데이터에 표시된 이벤트에 의해 프로세스를 잠에 빠트리는 것과 깨우는 것은 2093해당 이벤트를 기다리는 태스크의 태스크 상태와 그 이벤트를 알리기 위해 사용되는 2094글로벌 데이터, 두 데이터간의 상호작용으로 볼 수 있습니다. 이것이 옳은 순서대로 2095일어남을 분명히 하기 위해, 프로세스를 잠에 들게 하는 기능과 깨우는 기능은 2096몇가지 배리어를 내포합니다. 2097 2098먼저, 잠을 재우는 쪽은 일반적으로 다음과 같은 이벤트 시퀀스를 따릅니다: 2099 2100 for (;;) { 2101 set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE); 2102 if (event_indicated) 2103 break; 2104 schedule(); 2105 } 2106 2107set_current_state() 에 의해, 태스크 상태가 바뀐 후 범용 메모리 배리어가 2108자동으로 삽입됩니다: 2109 2110 CPU 1 2111 =============================== 2112 set_current_state(); 2113 smp_store_mb(); 2114 STORE current->state 2115 <범용 배리어> 2116 LOAD event_indicated 2117 2118set_current_state() 는 다음의 것들로 감싸질 수도 있습니다: 2119 2120 prepare_to_wait(); 2121 prepare_to_wait_exclusive(); 2122 2123이것들 역시 상태를 설정한 후 범용 메모리 배리어를 삽입합니다. 2124앞의 전체 시퀀스는 다음과 같은 함수들로 한번에 수행 가능한데, 이것들은 모두 2125올바른 장소에 메모리 배리어를 삽입합니다: 2126 2127 wait_event(); 2128 wait_event_interruptible(); 2129 wait_event_interruptible_exclusive(); 2130 wait_event_interruptible_timeout(); 2131 wait_event_killable(); 2132 wait_event_timeout(); 2133 wait_on_bit(); 2134 wait_on_bit_lock(); 2135 2136 2137두번째로, 깨우기를 수행하는 코드는 일반적으로 다음과 같을 겁니다: 2138 2139 event_indicated = 1; 2140 wake_up(&event_wait_queue); 2141 2142또는: 2143 2144 event_indicated = 1; 2145 wake_up_process(event_daemon); 2146 2147wake_up() 이 무언가를 깨우게 되면, 이 함수는 범용 메모리 배리어를 수행합니다. 2148이 함수가 아무것도 깨우지 않는다면 메모리 배리어는 수행될 수도, 수행되지 않을 2149수도 있습니다; 이 경우에 메모리 배리어를 수행할 거라 오해해선 안됩니다. 이 2150배리어는 태스크 상태가 접근되기 전에 수행되는데, 자세히 말하면 이 이벤트를 2151알리기 위한 STORE 와 TASK_RUNNING 으로 상태를 쓰는 STORE 사이에 수행됩니다: 2152 2153 CPU 1 (Sleeper) CPU 2 (Waker) 2154 =============================== =============================== 2155 set_current_state(); STORE event_indicated 2156 smp_store_mb(); wake_up(); 2157 STORE current->state ... 2158 <범용 배리어> <범용 배리어> 2159 LOAD event_indicated if ((LOAD task->state) & TASK_NORMAL) 2160 STORE task->state 2161 2162여기서 "task" 는 깨어나지는 쓰레드이고 CPU 1 의 "current" 와 같습니다. 2163 2164반복하지만, wake_up() 이 무언가를 정말 깨운다면 범용 메모리 배리어가 수행될 2165것이 보장되지만, 그렇지 않다면 그런 보장이 없습니다. 이걸 이해하기 위해, X 와 2166Y 는 모두 0 으로 초기화 되어 있다는 가정 하에 아래의 이벤트 시퀀스를 생각해 2167봅시다: 2168 2169 CPU 1 CPU 2 2170 =============================== =============================== 2171 X = 1; Y = 1; 2172 smp_mb(); wake_up(); 2173 LOAD Y LOAD X 2174 2175정말로 깨우기가 행해졌다면, 두 로드 중 (최소한) 하나는 1 을 보게 됩니다. 2176반면에, 실제 깨우기가 행해지지 않았다면, 두 로드 모두 0을 볼 수도 있습니다. 2177 2178wake_up_process() 는 항상 범용 메모리 배리어를 수행합니다. 이 배리어 역시 2179태스크 상태가 접근되기 전에 수행됩니다. 특히, 앞의 예제 코드에서 wake_up() 이 2180wake_up_process() 로 대체된다면 두 로드 중 하나는 1을 볼 것이 보장됩니다. 2181 2182사용 가능한 깨우기류 함수들로 다음과 같은 것들이 있습니다: 2183 2184 complete(); 2185 wake_up(); 2186 wake_up_all(); 2187 wake_up_bit(); 2188 wake_up_interruptible(); 2189 wake_up_interruptible_all(); 2190 wake_up_interruptible_nr(); 2191 wake_up_interruptible_poll(); 2192 wake_up_interruptible_sync(); 2193 wake_up_interruptible_sync_poll(); 2194 wake_up_locked(); 2195 wake_up_locked_poll(); 2196 wake_up_nr(); 2197 wake_up_poll(); 2198 wake_up_process(); 2199 2200메모리 순서규칙 관점에서, 이 함수들은 모두 wake_up() 과 같거나 보다 강한 순서 2201보장을 제공합니다. 2202 2203[!] 잠재우는 코드와 깨우는 코드에 내포되는 메모리 배리어들은 깨우기 전에 2204이루어진 스토어를 잠재우는 코드가 set_current_state() 를 호출한 후에 행하는 2205로드에 대해 순서를 맞추지 _않는다는_ 점을 기억하세요. 예를 들어, 잠재우는 2206코드가 다음과 같고: 2207 2208 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); 2209 if (event_indicated) 2210 break; 2211 __set_current_state(TASK_RUNNING); 2212 do_something(my_data); 2213 2214깨우는 코드는 다음과 같다면: 2215 2216 my_data = value; 2217 event_indicated = 1; 2218 wake_up(&event_wait_queue); 2219 2220event_indecated 에의 변경이 잠재우는 코드에게 my_data 에의 변경 후에 이루어진 2221것으로 인지될 것이라는 보장이 없습니다. 이런 경우에는 양쪽 코드 모두 각각의 2222데이터 액세스 사이에 메모리 배리어를 직접 쳐야 합니다. 따라서 앞의 재우는 2223코드는 다음과 같이: 2224 2225 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); 2226 if (event_indicated) { 2227 smp_rmb(); 2228 do_something(my_data); 2229 } 2230 2231그리고 깨우는 코드는 다음과 같이 되어야 합니다: 2232 2233 my_data = value; 2234 smp_wmb(); 2235 event_indicated = 1; 2236 wake_up(&event_wait_queue); 2237 2238 2239그외의 함수들 2240------------- 2241 2242그외의 배리어를 내포하는 함수들은 다음과 같습니다: 2243 2244 (*) schedule() 과 그 유사한 것들이 완전한 메모리 배리어를 내포합니다. 2245 2246 2247============================== 2248CPU 간 ACQUIRING 배리어의 효과 2249============================== 2250 2251SMP 시스템에서의 락 기능들은 더욱 강력한 형태의 배리어를 제공합니다: 이 2252배리어는 동일한 락을 사용하는 다른 CPU 들의 메모리 액세스 순서에도 영향을 2253끼칩니다. 2254 2255 2256ACQUIRE VS 메모리 액세스 2257------------------------ 2258 2259다음의 예를 생각해 봅시다: 시스템은 두개의 스핀락 (M) 과 (Q), 그리고 세개의 CPU 2260를 가지고 있습니다; 여기에 다음의 이벤트 시퀀스가 발생합니다: 2261 2262 CPU 1 CPU 2 2263 =============================== =============================== 2264 WRITE_ONCE(*A, a); WRITE_ONCE(*E, e); 2265 ACQUIRE M ACQUIRE Q 2266 WRITE_ONCE(*B, b); WRITE_ONCE(*F, f); 2267 WRITE_ONCE(*C, c); WRITE_ONCE(*G, g); 2268 RELEASE M RELEASE Q 2269 WRITE_ONCE(*D, d); WRITE_ONCE(*H, h); 2270 2271*A 로의 액세스부터 *H 로의 액세스까지가 어떤 순서로 CPU 3 에게 보여질지에 2272대해서는 각 CPU 에서의 락 사용에 의해 내포되어 있는 제약을 제외하고는 어떤 2273보장도 존재하지 않습니다. 예를 들어, CPU 3 에게 다음과 같은 순서로 보여지는 2274것이 가능합니다: 2275 2276 *E, ACQUIRE M, ACQUIRE Q, *G, *C, *F, *A, *B, RELEASE Q, *D, *H, RELEASE M 2277 2278하지만 다음과 같이 보이지는 않을 겁니다: 2279 2280 *B, *C or *D preceding ACQUIRE M 2281 *A, *B or *C following RELEASE M 2282 *F, *G or *H preceding ACQUIRE Q 2283 *E, *F or *G following RELEASE Q 2284 2285 2286 2287ACQUIRE VS I/O 액세스 2288---------------------- 2289 2290특정한 (특히 NUMA 가 관련된) 환경 하에서 두개의 CPU 에서 동일한 스핀락으로 2291보호되는 두개의 크리티컬 섹션 안의 I/O 액세스는 PCI 브릿지에 겹쳐진 I/O 2292액세스로 보일 수 있는데, PCI 브릿지는 캐시 일관성 프로토콜과 합을 맞춰야 할 2293의무가 없으므로, 필요한 읽기 메모리 배리어가 요청되지 않기 때문입니다. 2294 2295예를 들어서: 2296 2297 CPU 1 CPU 2 2298 =============================== =============================== 2299 spin_lock(Q) 2300 writel(0, ADDR) 2301 writel(1, DATA); 2302 spin_unlock(Q); 2303 spin_lock(Q); 2304 writel(4, ADDR); 2305 writel(5, DATA); 2306 spin_unlock(Q); 2307 2308는 PCI 브릿지에 다음과 같이 보일 수 있습니다: 2309 2310 STORE *ADDR = 0, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = 1, STORE *DATA = 5 2311 2312이렇게 되면 하드웨어의 오동작을 일으킬 수 있습니다. 2313 2314 2315이런 경우엔 잡아둔 스핀락을 내려놓기 전에 mmiowb() 를 수행해야 하는데, 예를 2316들면 다음과 같습니다: 2317 2318 CPU 1 CPU 2 2319 =============================== =============================== 2320 spin_lock(Q) 2321 writel(0, ADDR) 2322 writel(1, DATA); 2323 mmiowb(); 2324 spin_unlock(Q); 2325 spin_lock(Q); 2326 writel(4, ADDR); 2327 writel(5, DATA); 2328 mmiowb(); 2329 spin_unlock(Q); 2330 2331이 코드는 CPU 1 에서 요청된 두개의 스토어가 PCI 브릿지에 CPU 2 에서 요청된 2332스토어들보다 먼저 보여짐을 보장합니다. 2333 2334 2335또한, 같은 디바이스에서 스토어를 이어 로드가 수행되면 이 로드는 로드가 수행되기 2336전에 스토어가 완료되기를 강제하므로 mmiowb() 의 필요가 없어집니다: 2337 2338 CPU 1 CPU 2 2339 =============================== =============================== 2340 spin_lock(Q) 2341 writel(0, ADDR) 2342 a = readl(DATA); 2343 spin_unlock(Q); 2344 spin_lock(Q); 2345 writel(4, ADDR); 2346 b = readl(DATA); 2347 spin_unlock(Q); 2348 2349 2350더 많은 정보를 위해선 Documentation/driver-api/device-io.rst 를 참고하세요. 2351 2352 2353========================= 2354메모리 배리어가 필요한 곳 2355========================= 2356 2357설령 SMP 커널을 사용하더라도 싱글 쓰레드로 동작하는 코드는 올바르게 동작하는 2358것으로 보여질 것이기 때문에, 평범한 시스템 운영중에 메모리 오퍼레이션 재배치는 2359일반적으로 문제가 되지 않습니다. 하지만, 재배치가 문제가 _될 수 있는_ 네가지 2360환경이 있습니다: 2361 2362 (*) 프로세서간 상호 작용. 2363 2364 (*) 어토믹 오퍼레이션. 2365 2366 (*) 디바이스 액세스. 2367 2368 (*) 인터럽트. 2369 2370 2371프로세서간 상호 작용 2372-------------------- 2373 2374두개 이상의 프로세서를 가진 시스템이 있다면, 시스템의 두개 이상의 CPU 는 동시에 2375같은 데이터에 대한 작업을 할 수 있습니다. 이는 동기화 문제를 일으킬 수 있고, 2376이 문제를 해결하는 일반적 방법은 락을 사용하는 것입니다. 하지만, 락은 상당히 2377비용이 비싸서 가능하면 락을 사용하지 않고 일을 처리하는 것이 낫습니다. 이런 2378경우, 두 CPU 모두에 영향을 끼치는 오퍼레이션들은 오동작을 막기 위해 신중하게 2379순서가 맞춰져야 합니다. 2380 2381예를 들어, R/W 세마포어의 느린 수행경로 (slow path) 를 생각해 봅시다. 2382세마포어를 위해 대기를 하는 하나의 프로세스가 자신의 스택 중 일부를 이 2383세마포어의 대기 프로세스 리스트에 링크한 채로 있습니다: 2384 2385 struct rw_semaphore { 2386 ... 2387 spinlock_t lock; 2388 struct list_head waiters; 2389 }; 2390 2391 struct rwsem_waiter { 2392 struct list_head list; 2393 struct task_struct *task; 2394 }; 2395 2396특정 대기 상태 프로세스를 깨우기 위해, up_read() 나 up_write() 함수는 다음과 2397같은 일을 합니다: 2398 2399 (1) 다음 대기 상태 프로세스 레코드는 어디있는지 알기 위해 이 대기 상태 2400 프로세스 레코드의 next 포인터를 읽습니다; 2401 2402 (2) 이 대기 상태 프로세스의 task 구조체로의 포인터를 읽습니다; 2403 2404 (3) 이 대기 상태 프로세스가 세마포어를 획득했음을 알리기 위해 task 2405 포인터를 초기화 합니다; 2406 2407 (4) 해당 태스크에 대해 wake_up_process() 를 호출합니다; 그리고 2408 2409 (5) 해당 대기 상태 프로세스의 task 구조체를 잡고 있던 레퍼런스를 해제합니다. 2410 2411달리 말하자면, 다음 이벤트 시퀀스를 수행해야 합니다: 2412 2413 LOAD waiter->list.next; 2414 LOAD waiter->task; 2415 STORE waiter->task; 2416 CALL wakeup 2417 RELEASE task 2418 2419그리고 이 이벤트들이 다른 순서로 수행된다면, 오동작이 일어날 수 있습니다. 2420 2421한번 세마포어의 대기줄에 들어갔고 세마포어 락을 놓았다면, 해당 대기 프로세스는 2422락을 다시는 잡지 않습니다; 대신 자신의 task 포인터가 초기화 되길 기다립니다. 2423그 레코드는 대기 프로세스의 스택에 있기 때문에, 리스트의 next 포인터가 읽혀지기 2424_전에_ task 포인터가 지워진다면, 다른 CPU 는 해당 대기 프로세스를 시작해 버리고 2425up*() 함수가 next 포인터를 읽기 전에 대기 프로세스의 스택을 마구 건드릴 수 2426있습니다. 2427 2428그렇게 되면 위의 이벤트 시퀀스에 어떤 일이 일어나는지 생각해 보죠: 2429 2430 CPU 1 CPU 2 2431 =============================== =============================== 2432 down_xxx() 2433 Queue waiter 2434 Sleep 2435 up_yyy() 2436 LOAD waiter->task; 2437 STORE waiter->task; 2438 Woken up by other event 2439 <preempt> 2440 Resume processing 2441 down_xxx() returns 2442 call foo() 2443 foo() clobbers *waiter 2444 </preempt> 2445 LOAD waiter->list.next; 2446 --- OOPS --- 2447 2448이 문제는 세마포어 락의 사용으로 해결될 수도 있겠지만, 그렇게 되면 깨어난 후에 2449down_xxx() 함수가 불필요하게 스핀락을 또다시 얻어야만 합니다. 2450 2451이 문제를 해결하는 방법은 범용 SMP 메모리 배리어를 추가하는 겁니다: 2452 2453 LOAD waiter->list.next; 2454 LOAD waiter->task; 2455 smp_mb(); 2456 STORE waiter->task; 2457 CALL wakeup 2458 RELEASE task 2459 2460이 경우에, 배리어는 시스템의 나머지 CPU 들에게 모든 배리어 앞의 메모리 액세스가 2461배리어 뒤의 메모리 액세스보다 앞서 일어난 것으로 보이게 만듭니다. 배리어 앞의 2462메모리 액세스들이 배리어 명령 자체가 완료되는 시점까지 완료된다고는 보장하지 2463_않습니다_. 2464 2465(이게 문제가 되지 않을) 단일 프로세서 시스템에서 smp_mb() 는 실제로는 그저 2466컴파일러가 CPU 안에서의 순서를 바꾸거나 하지 않고 주어진 순서대로 명령을 2467내리도록 하는 컴파일러 배리어일 뿐입니다. 오직 하나의 CPU 만 있으니, CPU 의 2468의존성 순서 로직이 그 외의 모든것을 알아서 처리할 겁니다. 2469 2470 2471어토믹 오퍼레이션 2472----------------- 2473 2474어토믹 오퍼레이션은 기술적으로 프로세서간 상호작용으로 분류되며 그 중 일부는 2475전체 메모리 배리어를 내포하고 또 일부는 내포하지 않지만, 커널에서 상당히 2476의존적으로 사용하는 기능 중 하나입니다. 2477 2478더 많은 내용을 위해선 Documentation/atomic_t.txt 를 참고하세요. 2479 2480 2481디바이스 액세스 2482--------------- 2483 2484많은 디바이스가 메모리 매핑 기법으로 제어될 수 있는데, 그렇게 제어되는 2485디바이스는 CPU 에는 단지 특정 메모리 영역의 집합처럼 보이게 됩니다. 드라이버는 2486그런 디바이스를 제어하기 위해 정확히 올바른 순서로 올바른 메모리 액세스를 2487만들어야 합니다. 2488 2489하지만, 액세스들을 재배치 하거나 조합하거나 병합하는게 더 효율적이라 판단하는 2490영리한 CPU 나 컴파일러들을 사용하면 드라이버 코드의 조심스럽게 순서 맞춰진 2491액세스들이 디바이스에는 요청된 순서대로 도착하지 못하게 할 수 있는 - 디바이스가 2492오동작을 하게 할 - 잠재적 문제가 생길 수 있습니다. 2493 2494리눅스 커널 내부에서, I/O 는 어떻게 액세스들을 적절히 순차적이게 만들 수 있는지 2495알고 있는, - inb() 나 writel() 과 같은 - 적절한 액세스 루틴을 통해 이루어져야만 2496합니다. 이것들은 대부분의 경우에는 명시적 메모리 배리어 와 함께 사용될 필요가 2497없습니다만, 다음의 두가지 상황에서는 명시적 메모리 배리어가 필요할 수 있습니다: 2498 2499 (1) 일부 시스템에서 I/O 스토어는 모든 CPU 에 일관되게 순서 맞춰지지 않는데, 2500 따라서 _모든_ 일반적인 드라이버들에 락이 사용되어야만 하고 이 크리티컬 2501 섹션을 빠져나오기 전에 mmiowb() 가 꼭 호출되어야 합니다. 2502 2503 (2) 만약 액세스 함수들이 완화된 메모리 액세스 속성을 갖는 I/O 메모리 윈도우를 2504 사용한다면, 순서를 강제하기 위해선 _mandatory_ 메모리 배리어가 필요합니다. 2505 2506더 많은 정보를 위해선 Documentation/driver-api/device-io.rst 를 참고하십시오. 2507 2508 2509인터럽트 2510-------- 2511 2512드라이버는 자신의 인터럽트 서비스 루틴에 의해 인터럽트 당할 수 있기 때문에 2513드라이버의 이 두 부분은 서로의 디바이스 제어 또는 액세스 부분과 상호 간섭할 수 2514있습니다. 2515 2516스스로에게 인터럽트 당하는 걸 불가능하게 하고, 드라이버의 크리티컬한 2517오퍼레이션들을 모두 인터럽트가 불가능하게 된 영역에 집어넣거나 하는 방법 (락의 2518한 형태) 으로 이런 상호 간섭을 - 최소한 부분적으로라도 - 줄일 수 있습니다. 2519드라이버의 인터럽트 루틴이 실행 중인 동안, 해당 드라이버의 코어는 같은 CPU 에서 2520수행되지 않을 것이며, 현재의 인터럽트가 처리되는 중에는 또다시 인터럽트가 2521일어나지 못하도록 되어 있으니 인터럽트 핸들러는 그에 대해서는 락을 잡지 않아도 2522됩니다. 2523 2524하지만, 어드레스 레지스터와 데이터 레지스터를 갖는 이더넷 카드를 다루는 2525드라이버를 생각해 봅시다. 만약 이 드라이버의 코어가 인터럽트를 비활성화시킨 2526채로 이더넷 카드와 대화하고 드라이버의 인터럽트 핸들러가 호출되었다면: 2527 2528 LOCAL IRQ DISABLE 2529 writew(ADDR, 3); 2530 writew(DATA, y); 2531 LOCAL IRQ ENABLE 2532 <interrupt> 2533 writew(ADDR, 4); 2534 q = readw(DATA); 2535 </interrupt> 2536 2537만약 순서 규칙이 충분히 완화되어 있다면 데이터 레지스터에의 스토어는 어드레스 2538레지스터에 두번째로 행해지는 스토어 뒤에 일어날 수도 있습니다: 2539 2540 STORE *ADDR = 3, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = y, q = LOAD *DATA 2541 2542 2543만약 순서 규칙이 충분히 완화되어 있고 묵시적으로든 명시적으로든 배리어가 2544사용되지 않았다면 인터럽트 비활성화 섹션에서 일어난 액세스가 바깥으로 새어서 2545인터럽트 내에서 일어난 액세스와 섞일 수 있다고 - 그리고 그 반대도 - 가정해야만 2546합니다. 2547 2548그런 영역 안에서 일어나는 I/O 액세스들은 엄격한 순서 규칙의 I/O 레지스터에 2549묵시적 I/O 배리어를 형성하는 동기적 (synchronous) 로드 오퍼레이션을 포함하기 2550때문에 일반적으로는 이런게 문제가 되지 않습니다. 만약 이걸로는 충분치 않다면 2551mmiowb() 가 명시적으로 사용될 필요가 있습니다. 2552 2553 2554하나의 인터럽트 루틴과 별도의 CPU 에서 수행중이며 서로 통신을 하는 두 루틴 2555사이에도 비슷한 상황이 일어날 수 있습니다. 만약 그런 경우가 발생할 가능성이 2556있다면, 순서를 보장하기 위해 인터럽트 비활성화 락이 사용되어져야만 합니다. 2557 2558 2559====================== 2560커널 I/O 배리어의 효과 2561====================== 2562 2563I/O 메모리에 액세스할 때, 드라이버는 적절한 액세스 함수를 사용해야 합니다: 2564 2565 (*) inX(), outX(): 2566 2567 이것들은 메모리 공간보다는 I/O 공간에 이야기를 하려는 의도로 2568 만들어졌습니다만, 그건 기본적으로 CPU 마다 다른 컨셉입니다. i386 과 2569 x86_64 프로세서들은 특별한 I/O 공간 액세스 사이클과 명령어를 실제로 가지고 2570 있지만, 다른 많은 CPU 들에는 그런 컨셉이 존재하지 않습니다. 2571 2572 다른 것들 중에서도 PCI 버스가 I/O 공간 컨셉을 정의하는데, 이는 - i386 과 2573 x86_64 같은 CPU 에서 - CPU 의 I/O 공간 컨셉으로 쉽게 매치됩니다. 하지만, 2574 대체할 I/O 공간이 없는 CPU 에서는 CPU 의 메모리 맵의 가상 I/O 공간으로 2575 매핑될 수도 있습니다. 2576 2577 이 공간으로의 액세스는 (i386 등에서는) 완전하게 동기화 됩니다만, 중간의 2578 (PCI 호스트 브리지와 같은) 브리지들은 이를 완전히 보장하진 않을수도 2579 있습니다. 2580 2581 이것들의 상호간의 순서는 완전하게 보장됩니다. 2582 2583 다른 타입의 메모리 오퍼레이션, I/O 오퍼레이션에 대한 순서는 완전하게 2584 보장되지는 않습니다. 2585 2586 (*) readX(), writeX(): 2587 2588 이것들이 수행 요청되는 CPU 에서 서로에게 완전히 순서가 맞춰지고 독립적으로 2589 수행되는지에 대한 보장 여부는 이들이 액세스 하는 메모리 윈도우에 정의된 2590 특성에 의해 결정됩니다. 예를 들어, 최신의 i386 아키텍쳐 머신에서는 MTRR 2591 레지스터로 이 특성이 조정됩니다. 2592 2593 일반적으로는, 프리페치 (prefetch) 가능한 디바이스를 액세스 하는게 2594 아니라면, 이것들은 완전히 순서가 맞춰지고 결합되지 않게 보장될 겁니다. 2595 2596 하지만, (PCI 브리지와 같은) 중간의 하드웨어는 자신이 원한다면 집행을 2597 연기시킬 수 있습니다; 스토어 명령을 실제로 하드웨어로 내려보내기(flush) 2598 위해서는 같은 위치로부터 로드를 하는 방법이 있습니다만[*], PCI 의 경우는 2599 같은 디바이스나 환경 구성 영역에서의 로드만으로도 충분할 겁니다. 2600 2601 [*] 주의! 쓰여진 것과 같은 위치로부터의 로드를 시도하는 것은 오동작을 2602 일으킬 수도 있습니다 - 예로 16650 Rx/Tx 시리얼 레지스터를 생각해 2603 보세요. 2604 2605 프리페치 가능한 I/O 메모리가 사용되면, 스토어 명령들이 순서를 지키도록 2606 하기 위해 mmiowb() 배리어가 필요할 수 있습니다. 2607 2608 PCI 트랜잭션 사이의 상호작용에 대해 더 많은 정보를 위해선 PCI 명세서를 2609 참고하시기 바랍니다. 2610 2611 (*) readX_relaxed(), writeX_relaxed() 2612 2613 이것들은 readX() 와 writeX() 랑 비슷하지만, 더 완화된 메모리 순서 보장을 2614 제공합니다. 구체적으로, 이것들은 일반적 메모리 액세스 (예: DMA 버퍼) 에도 2615 LOCK 이나 UNLOCK 오퍼레이션들에도 순서를 보장하지 않습니다. LOCK 이나 2616 UNLOCK 오퍼레이션들에 맞춰지는 순서가 필요하다면, mmiowb() 배리어가 사용될 2617 수 있습니다. 같은 주변 장치에의 완화된 액세스끼리는 순서가 지켜짐을 알아 2618 두시기 바랍니다. 2619 2620 (*) ioreadX(), iowriteX() 2621 2622 이것들은 inX()/outX() 나 readX()/writeX() 처럼 실제로 수행하는 액세스의 2623 종류에 따라 적절하게 수행될 것입니다. 2624 2625 2626=================================== 2627가정되는 가장 완화된 실행 순서 모델 2628=================================== 2629 2630컨셉적으로 CPU 는 주어진 프로그램에 대해 프로그램 그 자체에는 인과성 (program 2631causality) 을 지키는 것처럼 보이게 하지만 일반적으로는 순서를 거의 지켜주지 2632않는다고 가정되어야만 합니다. (i386 이나 x86_64 같은) 일부 CPU 들은 코드 2633재배치에 (powerpc 나 frv 와 같은) 다른 것들에 비해 강한 제약을 갖지만, 아키텍쳐 2634종속적 코드 이외의 코드에서는 순서에 대한 제약이 가장 완화된 경우 (DEC Alpha) 2635를 가정해야 합니다. 2636 2637이 말은, CPU 에게 주어지는 인스트럭션 스트림 내의 한 인스트럭션이 앞의 2638인스트럭션에 종속적이라면 앞의 인스트럭션은 뒤의 종속적 인스트럭션이 실행되기 2639전에 완료[*]될 수 있어야 한다는 제약 (달리 말해서, 인과성이 지켜지는 것으로 2640보이게 함) 외에는 자신이 원하는 순서대로 - 심지어 병렬적으로도 - 그 스트림을 2641실행할 수 있음을 의미합니다 2642 2643 [*] 일부 인스트럭션은 하나 이상의 영향 - 조건 코드를 바꾼다던지, 레지스터나 2644 메모리를 바꾼다던지 - 을 만들어내며, 다른 인스트럭션은 다른 효과에 2645 종속적일 수 있습니다. 2646 2647CPU 는 최종적으로 아무 효과도 만들지 않는 인스트럭션 시퀀스는 없애버릴 수도 2648있습니다. 예를 들어, 만약 두개의 연속되는 인스트럭션이 둘 다 같은 레지스터에 2649직접적인 값 (immediate value) 을 집어넣는다면, 첫번째 인스트럭션은 버려질 수도 2650있습니다. 2651 2652 2653비슷하게, 컴파일러 역시 프로그램의 인과성만 지켜준다면 인스트럭션 스트림을 2654자신이 보기에 올바르다 생각되는대로 재배치 할 수 있습니다. 2655 2656 2657=============== 2658CPU 캐시의 영향 2659=============== 2660 2661캐시된 메모리 오퍼레이션들이 시스템 전체에 어떻게 인지되는지는 CPU 와 메모리 2662사이에 존재하는 캐시들, 그리고 시스템 상태의 일관성을 관리하는 메모리 일관성 2663시스템에 상당 부분 영향을 받습니다. 2664 2665한 CPU 가 시스템의 다른 부분들과 캐시를 통해 상호작용한다면, 메모리 시스템은 2666CPU 의 캐시들을 포함해야 하며, CPU 와 CPU 자신의 캐시 사이에서의 동작을 위한 2667메모리 배리어를 가져야 합니다. (메모리 배리어는 논리적으로는 다음 그림의 2668점선에서 동작합니다): 2669 2670 <--- CPU ---> : <----------- Memory -----------> 2671 : 2672 +--------+ +--------+ : +--------+ +-----------+ 2673 | | | | : | | | | +--------+ 2674 | CPU | | Memory | : | CPU | | | | | 2675 | Core |--->| Access |----->| Cache |<-->| | | | 2676 | | | Queue | : | | | |--->| Memory | 2677 | | | | : | | | | | | 2678 +--------+ +--------+ : +--------+ | | | | 2679 : | Cache | +--------+ 2680 : | Coherency | 2681 : | Mechanism | +--------+ 2682 +--------+ +--------+ : +--------+ | | | | 2683 | | | | : | | | | | | 2684 | CPU | | Memory | : | CPU | | |--->| Device | 2685 | Core |--->| Access |----->| Cache |<-->| | | | 2686 | | | Queue | : | | | | | | 2687 | | | | : | | | | +--------+ 2688 +--------+ +--------+ : +--------+ +-----------+ 2689 : 2690 : 2691 2692특정 로드나 스토어는 해당 오퍼레이션을 요청한 CPU 의 캐시 내에서 동작을 완료할 2693수도 있기 때문에 해당 CPU 의 바깥에는 보이지 않을 수 있지만, 다른 CPU 가 관심을 2694갖는다면 캐시 일관성 메커니즘이 해당 캐시라인을 해당 CPU 에게 전달하고, 해당 2695메모리 영역에 대한 오퍼레이션이 발생할 때마다 그 영향을 전파시키기 때문에, 해당 2696오퍼레이션은 메모리에 실제로 액세스를 한것처럼 나타날 것입니다. 2697 2698CPU 코어는 프로그램의 인과성이 유지된다고만 여겨진다면 인스트럭션들을 어떤 2699순서로든 재배치해서 수행할 수 있습니다. 일부 인스트럭션들은 로드나 스토어 2700오퍼레이션을 만드는데 이 오퍼레이션들은 이후 수행될 메모리 액세스 큐에 들어가게 2701됩니다. 코어는 이 오퍼레이션들을 해당 큐에 어떤 순서로든 원하는대로 넣을 수 2702있고, 다른 인스트럭션의 완료를 기다리도록 강제되기 전까지는 수행을 계속합니다. 2703 2704메모리 배리어가 하는 일은 CPU 쪽에서 메모리 쪽으로 넘어가는 액세스들의 순서, 2705그리고 그 액세스의 결과가 시스템의 다른 관찰자들에게 인지되는 순서를 제어하는 2706것입니다. 2707 2708[!] CPU 들은 항상 그들 자신의 로드와 스토어는 프로그램 순서대로 일어난 것으로 2709보기 때문에, 주어진 CPU 내에서는 메모리 배리어를 사용할 필요가 _없습니다_. 2710 2711[!] MMIO 나 다른 디바이스 액세스들은 캐시 시스템을 우회할 수도 있습니다. 우회 2712여부는 디바이스가 액세스 되는 메모리 윈도우의 특성에 의해 결정될 수도 있고, CPU 2713가 가지고 있을 수 있는 특수한 디바이스 통신 인스트럭션의 사용에 의해서 결정될 2714수도 있습니다. 2715 2716 2717캐시 일관성 2718----------- 2719 2720하지만 삶은 앞에서 이야기한 것처럼 단순하지 않습니다: 캐시들은 일관적일 것으로 2721기대되지만, 그 일관성이 순서에도 적용될 거라는 보장은 없습니다. 한 CPU 에서 2722만들어진 변경 사항은 최종적으로는 시스템의 모든 CPU 에게 보여지게 되지만, 다른 2723CPU 들에게도 같은 순서로 보이게 될 거라는 보장은 없다는 뜻입니다. 2724 2725 2726두개의 CPU (1 & 2) 가 달려 있고, 각 CPU 에 두개의 데이터 캐시(CPU 1 은 A/B 를, 2727CPU 2 는 C/D 를 갖습니다)가 병렬로 연결되어 있는 시스템을 다룬다고 생각해 2728봅시다: 2729 2730 : 2731 : +--------+ 2732 : +---------+ | | 2733 +--------+ : +--->| Cache A |<------->| | 2734 | | : | +---------+ | | 2735 | CPU 1 |<---+ | | 2736 | | : | +---------+ | | 2737 +--------+ : +--->| Cache B |<------->| | 2738 : +---------+ | | 2739 : | Memory | 2740 : +---------+ | System | 2741 +--------+ : +--->| Cache C |<------->| | 2742 | | : | +---------+ | | 2743 | CPU 2 |<---+ | | 2744 | | : | +---------+ | | 2745 +--------+ : +--->| Cache D |<------->| | 2746 : +---------+ | | 2747 : +--------+ 2748 : 2749 2750이 시스템이 다음과 같은 특성을 갖는다 생각해 봅시다: 2751 2752 (*) 홀수번 캐시라인은 캐시 A, 캐시 C 또는 메모리에 위치할 수 있음; 2753 2754 (*) 짝수번 캐시라인은 캐시 B, 캐시 D 또는 메모리에 위치할 수 있음; 2755 2756 (*) CPU 코어가 한개의 캐시에 접근하는 동안, 다른 캐시는 - 더티 캐시라인을 2757 메모리에 내리거나 추측성 로드를 하거나 하기 위해 - 시스템의 다른 부분에 2758 액세스 하기 위해 버스를 사용할 수 있음; 2759 2760 (*) 각 캐시는 시스템의 나머지 부분들과 일관성을 맞추기 위해 해당 캐시에 2761 적용되어야 할 오퍼레이션들의 큐를 가짐; 2762 2763 (*) 이 일관성 큐는 캐시에 이미 존재하는 라인에 가해지는 평범한 로드에 의해서는 2764 비워지지 않는데, 큐의 오퍼레이션들이 이 로드의 결과에 영향을 끼칠 수 있다 2765 할지라도 그러함. 2766 2767이제, 첫번째 CPU 에서 두개의 쓰기 오퍼레이션을 만드는데, 해당 CPU 의 캐시에 2768요청된 순서로 오퍼레이션이 도달됨을 보장하기 위해 두 오퍼레이션 사이에 쓰기 2769배리어를 사용하는 상황을 상상해 봅시다: 2770 2771 CPU 1 CPU 2 COMMENT 2772 =============== =============== ======================================= 2773 u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u 2774 v = 2; 2775 smp_wmb(); v 의 변경이 p 의 변경 전에 보일 것을 2776 분명히 함 2777 <A:modify v=2> v 는 이제 캐시 A 에 독점적으로 존재함 2778 p = &v; 2779 <B:modify p=&v> p 는 이제 캐시 B 에 독점적으로 존재함 2780 2781여기서의 쓰기 메모리 배리어는 CPU 1 의 캐시가 올바른 순서로 업데이트 된 것으로 2782시스템의 다른 CPU 들이 인지하게 만듭니다. 하지만, 이제 두번째 CPU 가 그 값들을 2783읽으려 하는 상황을 생각해 봅시다: 2784 2785 CPU 1 CPU 2 COMMENT 2786 =============== =============== ======================================= 2787 ... 2788 q = p; 2789 x = *q; 2790 2791위의 두개의 읽기 오퍼레이션은 예상된 순서로 일어나지 못할 수 있는데, 두번째 CPU 2792의 한 캐시에 다른 캐시 이벤트가 발생해 v 를 담고 있는 캐시라인의 해당 캐시에의 2793업데이트가 지연되는 사이, p 를 담고 있는 캐시라인은 두번째 CPU 의 다른 캐시에 2794업데이트 되어버렸을 수 있기 때문입니다. 2795 2796 CPU 1 CPU 2 COMMENT 2797 =============== =============== ======================================= 2798 u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u 2799 v = 2; 2800 smp_wmb(); 2801 <A:modify v=2> <C:busy> 2802 <C:queue v=2> 2803 p = &v; q = p; 2804 <D:request p> 2805 <B:modify p=&v> <D:commit p=&v> 2806 <D:read p> 2807 x = *q; 2808 <C:read *q> 캐시에 업데이트 되기 전의 v 를 읽음 2809 <C:unbusy> 2810 <C:commit v=2> 2811 2812기본적으로, 두개의 캐시라인 모두 CPU 2 에 최종적으로는 업데이트 될 것이지만, 2813별도의 개입 없이는, 업데이트의 순서가 CPU 1 에서 만들어진 순서와 동일할 2814것이라는 보장이 없습니다. 2815 2816 2817여기에 개입하기 위해선, 데이터 의존성 배리어나 읽기 배리어를 로드 오퍼레이션들 2818사이에 넣어야 합니다 (v4.15 부터는 READ_ONCE() 매크로에 의해 무조건적으로 2819그렇게 됩니다). 이렇게 함으로써 캐시가 다음 요청을 처리하기 전에 일관성 큐를 2820처리하도록 강제하게 됩니다. 2821 2822 CPU 1 CPU 2 COMMENT 2823 =============== =============== ======================================= 2824 u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u 2825 v = 2; 2826 smp_wmb(); 2827 <A:modify v=2> <C:busy> 2828 <C:queue v=2> 2829 p = &v; q = p; 2830 <D:request p> 2831 <B:modify p=&v> <D:commit p=&v> 2832 <D:read p> 2833 smp_read_barrier_depends() 2834 <C:unbusy> 2835 <C:commit v=2> 2836 x = *q; 2837 <C:read *q> 캐시에 업데이트 된 v 를 읽음 2838 2839 2840이런 부류의 문제는 DEC Alpha 계열 프로세서들에서 발견될 수 있는데, 이들은 2841데이터 버스를 좀 더 잘 사용해 성능을 개선할 수 있는, 분할된 캐시를 가지고 있기 2842때문입니다. 대부분의 CPU 는 하나의 읽기 오퍼레이션의 메모리 액세스가 다른 읽기 2843오퍼레이션에 의존적이라면 데이터 의존성 배리어를 내포시킵니다만, 모두가 그런건 2844아니기 때문에 이점에 의존해선 안됩니다. 2845 2846다른 CPU 들도 분할된 캐시를 가지고 있을 수 있지만, 그런 CPU 들은 평범한 메모리 2847액세스를 위해서도 이 분할된 캐시들 사이의 조정을 해야만 합니다. Alpha 는 가장 2848약한 메모리 순서 시맨틱 (semantic) 을 선택함으로써 메모리 배리어가 명시적으로 2849사용되지 않았을 때에는 그런 조정이 필요하지 않게 했으며, 이는 Alpha 가 당시에 2850더 높은 CPU 클락 속도를 가질 수 있게 했습니다. 하지만, (다시 말하건대, v4.15 2851이후부터는) Alpha 아키텍쳐 전용 코드와 READ_ONCE() 매크로 내부에서를 제외하고는 2852smp_read_barrier_depends() 가 사용되지 않아야 함을 알아두시기 바랍니다. 2853 2854 2855캐시 일관성 VS DMA 2856------------------ 2857 2858모든 시스템이 DMA 를 하는 디바이스에 대해서까지 캐시 일관성을 유지하지는 2859않습니다. 그런 경우, DMA 를 시도하는 디바이스는 RAM 으로부터 잘못된 데이터를 2860읽을 수 있는데, 더티 캐시 라인이 CPU 의 캐시에 머무르고 있고, 바뀐 값이 아직 2861RAM 에 써지지 않았을 수 있기 때문입니다. 이 문제를 해결하기 위해선, 커널의 2862적절한 부분에서 각 CPU 캐시의 문제되는 비트들을 플러시 (flush) 시켜야만 합니다 2863(그리고 그것들을 무효화 - invalidation - 시킬 수도 있겠죠). 2864 2865또한, 디바이스에 의해 RAM 에 DMA 로 쓰여진 값은 디바이스가 쓰기를 완료한 후에 2866CPU 의 캐시에서 RAM 으로 쓰여지는 더티 캐시 라인에 의해 덮어써질 수도 있고, CPU 2867의 캐시에 존재하는 캐시 라인이 해당 캐시에서 삭제되고 다시 값을 읽어들이기 2868전까지는 RAM 이 업데이트 되었다는 사실 자체가 숨겨져 버릴 수도 있습니다. 이 2869문제를 해결하기 위해선, 커널의 적절한 부분에서 각 CPU 의 캐시 안의 문제가 되는 2870비트들을 무효화 시켜야 합니다. 2871 2872캐시 관리에 대한 더 많은 정보를 위해선 Documentation/core-api/cachetlb.rst 를 2873참고하세요. 2874 2875 2876캐시 일관성 VS MMIO 2877------------------- 2878 2879Memory mapped I/O 는 일반적으로 CPU 의 메모리 공간 내의 한 윈도우의 특정 부분 2880내의 메모리 지역에 이루어지는데, 이 윈도우는 일반적인, RAM 으로 향하는 2881윈도우와는 다른 특성을 갖습니다. 2882 2883그런 특성 가운데 하나는, 일반적으로 그런 액세스는 캐시를 완전히 우회하고 2884디바이스 버스로 곧바로 향한다는 것입니다. 이 말은 MMIO 액세스는 먼저 2885시작되어서 캐시에서 완료된 메모리 액세스를 추월할 수 있다는 뜻입니다. 이런 2886경우엔 메모리 배리어만으로는 충분치 않고, 만약 캐시된 메모리 쓰기 오퍼레이션과 2887MMIO 액세스가 어떤 방식으로든 의존적이라면 해당 캐시는 두 오퍼레이션 사이에 2888비워져(flush)야만 합니다. 2889 2890 2891====================== 2892CPU 들이 저지르는 일들 2893====================== 2894 2895프로그래머는 CPU 가 메모리 오퍼레이션들을 정확히 요청한대로 수행해 줄 것이라고 2896생각하는데, 예를 들어 다음과 같은 코드를 CPU 에게 넘긴다면: 2897 2898 a = READ_ONCE(*A); 2899 WRITE_ONCE(*B, b); 2900 c = READ_ONCE(*C); 2901 d = READ_ONCE(*D); 2902 WRITE_ONCE(*E, e); 2903 2904CPU 는 다음 인스트럭션을 처리하기 전에 현재의 인스트럭션을 위한 메모리 2905오퍼레이션을 완료할 것이라 생각하고, 따라서 시스템 외부에서 관찰하기에도 정해진 2906순서대로 오퍼레이션이 수행될 것으로 예상합니다: 2907 2908 LOAD *A, STORE *B, LOAD *C, LOAD *D, STORE *E. 2909 2910 2911당연하지만, 실제로는 훨씬 엉망입니다. 많은 CPU 와 컴파일러에서 앞의 가정은 2912성립하지 못하는데 그 이유는 다음과 같습니다: 2913 2914 (*) 로드 오퍼레이션들은 실행을 계속 해나가기 위해 곧바로 완료될 필요가 있는 2915 경우가 많은 반면, 스토어 오퍼레이션들은 종종 별다른 문제 없이 유예될 수 2916 있습니다; 2917 2918 (*) 로드 오퍼레이션들은 예측적으로 수행될 수 있으며, 필요없는 로드였다고 2919 증명된 예측적 로드의 결과는 버려집니다; 2920 2921 (*) 로드 오퍼레이션들은 예측적으로 수행될 수 있으므로, 예상된 이벤트의 2922 시퀀스와 다른 시간에 로드가 이뤄질 수 있습니다; 2923 2924 (*) 메모리 액세스 순서는 CPU 버스와 캐시를 좀 더 잘 사용할 수 있도록 재배치 2925 될 수 있습니다; 2926 2927 (*) 로드와 스토어는 인접한 위치에의 액세스들을 일괄적으로 처리할 수 있는 2928 메모리나 I/O 하드웨어 (메모리와 PCI 디바이스 둘 다 이게 가능할 수 2929 있습니다) 에 대해 요청되는 경우, 개별 오퍼레이션을 위한 트랜잭션 설정 2930 비용을 아끼기 위해 조합되어 실행될 수 있습니다; 그리고 2931 2932 (*) 해당 CPU 의 데이터 캐시가 순서에 영향을 끼칠 수도 있고, 캐시 일관성 2933 메커니즘이 - 스토어가 실제로 캐시에 도달한다면 - 이 문제를 완화시킬 수는 2934 있지만 이 일관성 관리가 다른 CPU 들에도 같은 순서로 전달된다는 보장은 2935 없습니다. 2936 2937따라서, 앞의 코드에 대해 다른 CPU 가 보는 결과는 다음과 같을 수 있습니다: 2938 2939 LOAD *A, ..., LOAD {*C,*D}, STORE *E, STORE *B 2940 2941 ("LOAD {*C,*D}" 는 조합된 로드입니다) 2942 2943 2944하지만, CPU 는 스스로는 일관적일 것을 보장합니다: CPU _자신_ 의 액세스들은 2945자신에게는 메모리 배리어가 없음에도 불구하고 정확히 순서 세워진 것으로 보여질 2946것입니다. 예를 들어 다음의 코드가 주어졌다면: 2947 2948 U = READ_ONCE(*A); 2949 WRITE_ONCE(*A, V); 2950 WRITE_ONCE(*A, W); 2951 X = READ_ONCE(*A); 2952 WRITE_ONCE(*A, Y); 2953 Z = READ_ONCE(*A); 2954 2955그리고 외부의 영향에 의한 간섭이 없다고 가정하면, 최종 결과는 다음과 같이 2956나타날 것이라고 예상될 수 있습니다: 2957 2958 U == *A 의 최초 값 2959 X == W 2960 Z == Y 2961 *A == Y 2962 2963앞의 코드는 CPU 가 다음의 메모리 액세스 시퀀스를 만들도록 할겁니다: 2964 2965 U=LOAD *A, STORE *A=V, STORE *A=W, X=LOAD *A, STORE *A=Y, Z=LOAD *A 2966 2967하지만, 별다른 개입이 없고 프로그램의 시야에 이 세상이 여전히 일관적이라고 2968보인다는 보장만 지켜진다면 이 시퀀스는 어떤 조합으로든 재구성될 수 있으며, 각 2969액세스들은 합쳐지거나 버려질 수 있습니다. 일부 아키텍쳐에서 CPU 는 같은 위치에 2970대한 연속적인 로드 오퍼레이션들을 재배치 할 수 있기 때문에 앞의 예에서의 2971READ_ONCE() 와 WRITE_ONCE() 는 반드시 존재해야 함을 알아두세요. 그런 종류의 2972아키텍쳐에서 READ_ONCE() 와 WRITE_ONCE() 는 이 문제를 막기 위해 필요한 일을 2973뭐가 됐든지 하게 되는데, 예를 들어 Itanium 에서는 READ_ONCE() 와 WRITE_ONCE() 2974가 사용하는 volatile 캐스팅은 GCC 가 그런 재배치를 방지하는 특수 인스트럭션인 2975ld.acq 와 stl.rel 인스트럭션을 각각 만들어 내도록 합니다. 2976 2977컴파일러 역시 이 시퀀스의 액세스들을 CPU 가 보기도 전에 합치거나 버리거나 뒤로 2978미뤄버릴 수 있습니다. 2979 2980예를 들어: 2981 2982 *A = V; 2983 *A = W; 2984 2985는 다음과 같이 변형될 수 있습니다: 2986 2987 *A = W; 2988 2989따라서, 쓰기 배리어나 WRITE_ONCE() 가 없다면 *A 로의 V 값의 저장의 효과는 2990사라진다고 가정될 수 있습니다. 비슷하게: 2991 2992 *A = Y; 2993 Z = *A; 2994 2995는, 메모리 배리어나 READ_ONCE() 와 WRITE_ONCE() 없이는 다음과 같이 변형될 수 2996있습니다: 2997 2998 *A = Y; 2999 Z = Y; 3000 3001그리고 이 LOAD 오퍼레이션은 CPU 바깥에는 아예 보이지 않습니다. 3002 3003 3004그리고, ALPHA 가 있다 3005--------------------- 3006 3007DEC Alpha CPU 는 가장 완화된 메모리 순서의 CPU 중 하나입니다. 뿐만 아니라, 3008Alpha CPU 의 일부 버전은 분할된 데이터 캐시를 가지고 있어서, 의미적으로 3009관계되어 있는 두개의 캐시 라인이 서로 다른 시간에 업데이트 되는게 가능합니다. 3010이게 데이터 의존성 배리어가 정말 필요해지는 부분인데, 데이터 의존성 배리어는 3011메모리 일관성 시스템과 함께 두개의 캐시를 동기화 시켜서, 포인터 변경과 새로운 3012데이터의 발견을 올바른 순서로 일어나게 하기 때문입니다. 3013 3014리눅스 커널의 메모리 배리어 모델은 Alpha 에 기초해서 정의되었습니다만, v4.15 3015부터는 리눅스 커널이 READ_ONCE() 내에 smp_read_barrier_depends() 를 추가해서 3016Alpha 의 메모리 모델로의 영향력이 크게 줄어들긴 했습니다. 3017 3018위의 "캐시 일관성" 서브섹션을 참고하세요. 3019 3020 3021가상 머신 게스트 3022---------------- 3023 3024가상 머신에서 동작하는 게스트들은 게스트 자체는 SMP 지원 없이 컴파일 되었다 3025해도 SMP 영향을 받을 수 있습니다. 이건 UP 커널을 사용하면서 SMP 호스트와 3026결부되어 발생하는 부작용입니다. 이 경우에는 mandatory 배리어를 사용해서 문제를 3027해결할 수 있겠지만 그런 해결은 대부분의 경우 최적의 해결책이 아닙니다. 3028 3029이 문제를 완벽하게 해결하기 위해, 로우 레벨의 virt_mb() 등의 매크로를 사용할 수 3030있습니다. 이것들은 SMP 가 활성화 되어 있다면 smp_mb() 등과 동일한 효과를 3031갖습니다만, SMP 와 SMP 아닌 시스템 모두에 대해 동일한 코드를 만들어냅니다. 3032예를 들어, 가상 머신 게스트들은 (SMP 일 수 있는) 호스트와 동기화를 할 때에는 3033smp_mb() 가 아니라 virt_mb() 를 사용해야 합니다. 3034 3035이것들은 smp_mb() 류의 것들과 모든 부분에서 동일하며, 특히, MMIO 의 영향에 3036대해서는 간여하지 않습니다: MMIO 의 영향을 제어하려면, mandatory 배리어를 3037사용하시기 바랍니다. 3038 3039 3040======= 3041사용 예 3042======= 3043 3044순환식 버퍼 3045----------- 3046 3047메모리 배리어는 순환식 버퍼를 생성자(producer)와 소비자(consumer) 사이의 3048동기화에 락을 사용하지 않고 구현하는데에 사용될 수 있습니다. 더 자세한 내용을 3049위해선 다음을 참고하세요: 3050 3051 Documentation/core-api/circular-buffers.rst 3052 3053 3054========= 3055참고 문헌 3056========= 3057 3058Alpha AXP Architecture Reference Manual, Second Edition (Sites & Witek, 3059Digital Press) 3060 Chapter 5.2: Physical Address Space Characteristics 3061 Chapter 5.4: Caches and Write Buffers 3062 Chapter 5.5: Data Sharing 3063 Chapter 5.6: Read/Write Ordering 3064 3065AMD64 Architecture Programmer's Manual Volume 2: System Programming 3066 Chapter 7.1: Memory-Access Ordering 3067 Chapter 7.4: Buffering and Combining Memory Writes 3068 3069ARM Architecture Reference Manual (ARMv8, for ARMv8-A architecture profile) 3070 Chapter B2: The AArch64 Application Level Memory Model 3071 3072IA-32 Intel Architecture Software Developer's Manual, Volume 3: 3073System Programming Guide 3074 Chapter 7.1: Locked Atomic Operations 3075 Chapter 7.2: Memory Ordering 3076 Chapter 7.4: Serializing Instructions 3077 3078The SPARC Architecture Manual, Version 9 3079 Chapter 8: Memory Models 3080 Appendix D: Formal Specification of the Memory Models 3081 Appendix J: Programming with the Memory Models 3082 3083Storage in the PowerPC (Stone and Fitzgerald) 3084 3085UltraSPARC Programmer Reference Manual 3086 Chapter 5: Memory Accesses and Cacheability 3087 Chapter 15: Sparc-V9 Memory Models 3088 3089UltraSPARC III Cu User's Manual 3090 Chapter 9: Memory Models 3091 3092UltraSPARC IIIi Processor User's Manual 3093 Chapter 8: Memory Models 3094 3095UltraSPARC Architecture 2005 3096 Chapter 9: Memory 3097 Appendix D: Formal Specifications of the Memory Models 3098 3099UltraSPARC T1 Supplement to the UltraSPARC Architecture 2005 3100 Chapter 8: Memory Models 3101 Appendix F: Caches and Cache Coherency 3102 3103Solaris Internals, Core Kernel Architecture, p63-68: 3104 Chapter 3.3: Hardware Considerations for Locks and 3105 Synchronization 3106 3107Unix Systems for Modern Architectures, Symmetric Multiprocessing and Caching 3108for Kernel Programmers: 3109 Chapter 13: Other Memory Models 3110 3111Intel Itanium Architecture Software Developer's Manual: Volume 1: 3112 Section 2.6: Speculation 3113 Section 4.4: Memory Access 3114