[Server] Game Server, Multi Thread, Atomic, Lock, Dead Lock

 

 

 

멀티스레드와 동기화 기법: 게임 서버와 병렬 프로그래밍

 

 

멀티스레드는 게임 서버와 같은 고성능 프로그램에서 필수적인 요소입니다.

이번 글에서는 Web Server와 Game Server의 차이, 멀티스레드와 동기화 문제, Atomic과 Mutex, Deadlock의 위험과 해결법을 중심으로 학습한 내용을 정리합니다.  

 

 

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1. Web Server와 Game Server의 차이

 

Web Server (HTTP Server)
- Web Server는 질의/응답 형태로 작동합니다.
  * ex) 테이크아웃 전문 식당처럼 요청에 대한 응답을 빠르게 처리.

Game Server (TCP Server, Binary Server, Stateful Server)
- Game Server는 실시간 상호작용(Interaction)을 요구합니다.
  * ex) 일반 식당처럼 지속적인 연결을 유지하며 여러 요청을 처리.

 

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내가 구현한 멀티스레드의 현실

 

2. 멀티스레드란?

 

멀티스레드의 개념
- 스레드는 프로그램의 동작 단위를 의미하며, CPU가 스레드를 배치하여 실행합니다.
- 멀티스레드는 프로그램 내 여러 스레드가 동시에 작업을 수행하며, Heap과 Data 영역을 공유합니다.

멀티스레드의 장점과 문제점
- 장점 : 여러 스레드가 동일한 데이터를 참조하여 효율적으로 작업할 수 있습니다.
- 단점 : 동시에 동일한 데이터를 접근하면 충돌이 발생할 수 있습니다.
  * ex) 두 스레드가 같은 변수의 값을 동시에 수정하려 할 때 결과가 예측 불가능해짐.

 

 

#include <iostream>
#include <thread>

void HelloThread()
{
	cout << "Hello Thread" << endl;
}

void HelloThread_2(int32 num)
{
	cout << num << endl;
}


int main()
{
	std::thread t(HelloThread);	// 스레드 생성
    
	std::thread t2(HelloThread_2, 10);

	cout << "Hello Main" << endl;	// 메인 함수 출력

	t.join();			// 스레드가 끝날 때까지 기다린다.
    	t2.join();
}

 

C++ 스레드 생성

 - 운영체제에 스레드 생성을 요청하고 운영체제에서 처리를 해줘야 스레드가 생성된다.

 - <thread> 헤더파일의 함수를 사용하여 window/linux에 공용적으로 활용가능한 스레드 생성이 가능하다.

 - 생성된 스레드가 끝나지 않았는데 함수가 종료되면 에러가 발생한다. 따라서 join을 사용하여 생성된 스레드가 끝날 때까지 대기한다.

 - 인자가 존재하는 함수의 스레드를 생성할 때는 인자를 함께 스레드 객체에 넣어준다.

 

 

## 알고 있어야 할 스레드 함수

t.hardware_concurrency();	// CPU 코어 개수
t.get_id();			// 스레드마다 ID
t.detach();			// std::thread 객체에서 실제 쓰레드를 분리. 분리 후 정보 추출 불가
t.joinable();			// ID가 0인지 아닌지, 쓰레드 객체가 살아있는지 판별
t.join();			// 쓰레드가 끝날 때까지 기다린다.

 

## vector를 활용한 다수의 thread 호출
## 동기화 코드가 없기에 출력 순서는 뒤죽박죽이다.
    
vector<std::thread> v;

for (int32 i = 0; i < 10; i++)
	{
		v.push_back(std::thread(HelloThread_2, i));
	}

for (int32 i = 0; i < 10; i++)
	{
		if (v[i].joinable())
			v[i].join();
	}

 

int32 sum = 0;

void Add()
{
	for (int32 i = 0; i < 100'0000; i++)
	{
		//sum++;
		int32 eax = sum;
		eax = eax + 1;
		sum = eax;
	}
}

void Sub()
{
	for (int32 i = 0; i < 100'0000; i++)
	{
		//sum--;
		int32 eax = sum;
		eax = eax - 1;
		sum = eax;
	}
}

int main()
{

	Add();
	Sub();
	cout << sum << endl;	// 0 출력

	std::thread t1(Add);
	std::thread t2(Sub);

	t1.join();
	t2.join();
	cout << sum << endl;	// 값이 매번 바뀜
}

 

스레드가 공유 데이터를 사용할 때 생기는 문제점

 - t1과 t2중 나중에 완료된 쪽의 sum 값을 덮어 쓰기 때문에 값이 매번 바뀌게 된다.

 - 따라서 동기화 과정이 필요하다.

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3. 동기화 기법: Atomic과 Mutex

 

#include <atomic>

// atomic : all-or-nothing
atomic<int32> sum = 0;

void Add()
{
	for (int32 i = 0; i < 100'0000; i++)
	{
		sum.fetch_add(1);
	}
}

void Sub()
{
	for (int32 i = 0; i < 100'0000; i++)
	{
		sum.fetch_sub(1);
	}
}

 

 

Atomic
- Atomic은 연산이 All or Nothing 상태를 유지하도록 보장합니다.
- 동기화 문제를 해결할 수 있지만, 연산이 느리다는 단점이 있습니다.

 

 

#include <mutex>

vector<int32> v;
mutex m;

void Push()
{
	for (int32 i = 0; i < 10000; i++)
	{
		m.lock();
		v.push_back(i);
		m.unlock();
	}
}

int main()
{
	std::thread t1(Push);
	std::thread t2(Push);

	t1.join();
	t2.join();

	cout << v.size() << endl;
}

Mutex
- Mutex는 자물쇠와 같은 역할을 하며, 데이터를 보호하기 위해 lock과 unlock을 사용합니다.
- Mutual Exclusion(상호배타성)을 통해 공유 데이터를 안전하게 관리합니다.

 

 

// RAII (Resource Acquisition Is Initialization)
template<typename T>
class LockGuard
{
public:
	LockGuard(T& m)
	{
		_mutex = &m;
		_mutex->lock();
	}

	~LockGuard()
	{
		_mutex->unlock();
	}

private:
	T* _mutex;

};

void Push()
{
	for (int32 i = 0; i < 10000; i++)
	{
		LockGuard<std::mutex> lockGuard(m);
		v.push_back(i);

		if (i == 5000)
		{
			break;
		}
	}
}

 

std::lock_guard<std::mutex> lockGuard(m);
std::unique_lock<std::mutex> uniqueLock(m, std::defer_lock);

 

Mutex 사용 시 주의점
1. Lock/Unlock 관리 문제
   - lock 후 unlock이 제대로 이루어지지 않으면 Deadlock이 발생할 수 있습니다.
2. RAII(Resource Acquisition Is Initialization)
   - 생명주기를 관리하기 위해 RAII를 활용하여 안전하게 unlock을 보장합니다.

 

 

 

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4. Deadlock의 위험과 해결법

 

Deadlock이란?
- 두 스레드가 서로 다른 mutex를 lock한 뒤, 상대 mutex가 unlock되길 기다리는 상태입니다.

해결 방법
1. 순서 부여
   - Mutex마다 고유 ID를 부여하고, 순서대로 호출하여 Deadlock을 방지.
2. 사이클 추적
   - Deadlock이 발생할 가능성이 있는 사이클을 추적하여 사전에 파악.

 

 

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정리

 

1. Web Server vs Game Server
   - Web Server는 간단한 질의/응답 처리를, Game Server는 실시간 상호작용과 높은 동기화 요구를 처리합니다.

2. 멀티스레드 관리
   - 데이터를 효율적으로 공유하면서도 충돌을 방지하는 것이 핵심입니다.

3. 동기화 기법 활용
   - Atomic은 간단한 연산에 적합하며, Mutex는 더 복잡한 데이터 구조에 적합합니다.

4. Deadlock 방지
   - Mutex 호출 순서를 정하거나, RAII를 활용해 lock/unlock 관리를 자동화하세요.

 

 

멀티스레드와 동기화 기법은 고성능 프로그램에서 필수적인 기술입니다.

특히, Mutex와 Atomic의 역할을 이해하고, Deadlock을 예방하는 방법을 숙지하는 것이 중요합니다.

이러한 기법을 적절히 활용하면 안정적이고 효율적인 프로그램을 개발할 수 있습니다.