Wait-Free Signaling — Atomic Flag·Sequence·Latest-Value
#한 줄 요약
**“Wait-Free는 모든 thread 진행이 bounded”**임을 의미합니다. Lock-free보다 강한 보장입니다.
#Progress Property 복습
- Obstruction-free: 단독 실행 시 진행
- Lock-free: 시스템 전체에서 한 thread는 진행
- Wait-free: 각 thread가 N step 이내 완료
Wait-free는 가장 강한 보장입니다. 그래서 deadline 보장에 유리합니다.
#Atomic Flag Signaling
atomic_bool ready = false;volatile data_t data;
/* Producer */data = compute();atomic_store_explicit(&ready, true, memory_order_release); /* O(1) — wait-free */
/* Consumer */if (atomic_load_explicit(&ready, memory_order_acquire)) { use(data); atomic_store(&ready, false); /* consume */}가장 단순한 wait-free signaling입니다. 재진입성이 있고 retry가 없습니다.
#Sequence Number — Multi-Reader
struct { atomic_uint64_t seq; sensor_data_t data;} sensor;
/* Writer */void update(sensor_data_t new_d) { uint64_t s = atomic_load(&sensor.seq); atomic_store(&sensor.seq, s | 1); /* odd = writing */ __DMB(); sensor.data = new_d; __DMB(); atomic_store(&sensor.seq, s + 2); /* even = stable */}
/* Reader */bool read(sensor_data_t *out) { uint64_t s; do { s = atomic_load(&sensor.seq); if (s & 1) return false; /* writing now */ *out = sensor.data; } while (s != atomic_load(&sensor.seq)); return true;}Seqlock은 reader 다중 wait-free입니다(writer는 한 명).
#Latest-Value — Double Buffer
struct { atomic_int active; sensor_data_t buf[2];} ds;
/* Writer */void write(sensor_data_t new) { int next = !atomic_load(&ds.active); ds.buf[next] = new; __DMB(); atomic_store(&ds.active, next);}
/* Reader */void read(sensor_data_t *out) { int idx = atomic_load(&ds.active); *out = ds.buf[idx]; /* may be racing — but consistent buf */}양쪽 모두 wait-free입니다. 가장 최근 값만 필요할 때 적합합니다(sensor, GPS).
⚠️ Reader가 읽는 동안 writer가 두 번 write하면 reader buf가 변경될 수 있습니다(race in same buf).
→ Triple buffer(3 slot)로 해결합니다.
#Triple Buffer
struct { atomic_int active; /* reader 가져갈 buffer */ atomic_int next; /* 다음 active 후보 */ int writer_buf; /* writer 현재 채우는 */ sensor_data_t buf[3];} tb;
/* Writer */void write(sensor_data_t new) { int wb = tb.writer_buf; tb.buf[wb] = new; int prev_next = atomic_exchange(&tb.next, wb); tb.writer_buf = prev_next; /* prev_next: 이전 next → 이제 writer가 채울 buffer */}
/* Reader */void read(sensor_data_t *out) { int n = atomic_exchange(&tb.next, atomic_load(&tb.active)); atomic_store(&tb.active, n); *out = tb.buf[n];}3 buffer 구성은 다음과 같습니다.
- writer가 채우는 곳(writer_buf)
- 가장 최근(next)
- reader가 읽는 중(active)
Reader와 writer는 절대 같은 buffer를 보지 않습니다.
#Wait-Free Queue — Kogan-Petrank
2011년 Alex Kogan + Erez Petrank이 제안한 wait-free queue:
- 모든 push/pop이 O(1)
- 매우 복잡 — 수백 줄 코드
- 일반 사용엔 부담
academic 영역입니다. 임베디드에서는 SPSC lock-free가 표준입니다.
#Cortex-M Single-Word Atomic
/* 32-bit aligned word — Cortex-M3+ 자동 atomic */volatile uint32_t status;
ISR: status = STATUS_OK;task: if (status == STATUS_OK) ...Aligned word write/read은 single load/store로 atomic합니다. 기본적으로 wait-free입니다.
#SwiftLM — Hardware Wait-Free Counter
/* ARMv8.1 LSE — single instruction */atomic_fetch_add(&counter, 1, memory_order_relaxed); /* → LDADD — 단일 명령, contention 무관 wait-free */ARMv8.1+에서는 LDADD·LDSET·LDCLR이 모두 single instruction입니다. 진정한 wait-free입니다.
ARMv8.0의 LDREX/STREX는 retry가 가능하므로 lock-free이지만 wait-free는 아닙니다.
#Read-Copy-Update (Read-Side Wait-Free)
/* Reader — wait-free */rcu_read_lock(); /* no-op or preempt-disable */struct data *d = rcu_dereference(global);use(d);rcu_read_unlock();
/* Writer — may wait (grace period) */struct data *new = malloc(sizeof(*new));copy_old_to_new(new);modify(new);rcu_assign_pointer(global, new);synchronize_rcu();free(old);Read는 wait-free이고 write는 grace period wait입니다. Linux kernel routing table 등에서 씁니다.
#ISR↔Task Wait-Free Pattern
volatile uint32_t isr_count;volatile uint32_t task_seen;
/* ISR */void IRQ(void) { isr_count++; /* No wake, no lock — just count */}
/* Task — periodic poll */void task(void *p) { for (;;) { uint32_t now = isr_count; if (now != task_seen) { handle_events(now - task_seen); task_seen = now; } vTaskDelay(10); }}ISR overhead가 최소화됩니다. task가 batch로 처리하기 때문입니다.
#RP2040 — HW Spinlock + Wait-Free
/* RP2040 SIO peripheral */uint32_t saved = spin_lock_blocking(spin_lock_instance(0));critical();spin_unlock(spin_lock_instance(0), saved);HW spinlock은 bounded wait입니다(waiter 수만큼). 거의 wait-free에 가깝습니다.
#자동차 — Wait-Free 우선
ASIL-D ECU:
- Lock 자체 회피
- Double buffer + atomic flag
- Sensor fusion — triple buffer
- Critical path — wait-free 보장
WCET 보장에서는 진행 보장이 곧 deadline 보장입니다.
#자주 하는 실수
⚠️ CAS retry는 wait-free가 아닙니다
do { old = atomic_load(&x);} while (!atomic_compare_exchange(&x, &old, old+1));/* contention 시 무한 retry — lock-free, not wait-free */→ ARMv8.1 LDADD 또는 대기 없는 알고리즘을 씁니다.
⚠️ Double buffer에서 race가 발생합니다
read(buf[active]); /* writer가 active 변경 *중* — race */→ atomic swap 또는 triple buffer로 해결합니다.
⚠️ 32-bit MCU에서 64-bit 변수를 다룹니다
volatile uint64_t timestamp; /* split load/store — not atomic */→ atomic_uint64 또는 critical section을 사용합니다.
⚠️ Wait-free 가정을 확인하지 않습니다
my_atomic_op(); /* lock-free? wait-free? — 측정 안 함 */→ retry 횟수와 timing을 측정합니다.
#정리
- Wait-free는 각 thread가 bounded steps 안에 진행함을 의미합니다.
- Atomic flag, sequence number, latest-value는 모두 wait-free 패턴입니다.
- Double buffer는 reader·writer 둘 다 wait-free이지만 race가 가능합니다.
- Triple buffer에서는 race가 없습니다.
- ARMv8.1 LDADD는 single instruction wait-free입니다.
- RCU는 read side가 wait-free입니다.
- 자동차·RT critical 영역에서는 wait-free 패턴을 우선합니다.
다음 편은 Timer Wheel입니다.
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