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Modern Embedded Recipes · 102/152

Wait-Free Signaling — Atomic Flag·Sequence·Latest-Value

· Hawk · 4분 읽기

#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-free각 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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Modern Embedded Recipes · 103 of 152

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  107. 107Atomic Operation 비용 분석 — Fence·Cache Line·Contention
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  109. 109ABA 문제 회피 — Tagged Pointer·Hazard·Generation Counter
  110. 110False Sharing 해결 — Cache Line Padding·SoA 적용
  111. 111MPMC Queue 구현 — Multi-producer Multi-consumer Lock-Free
  112. 112임베디드 디버깅 마인드셋 — 가설·격리·재현·이분탐색
  113. 113JTAG·SWD 안 붙을 때 — 핀·전압·속도·세션 진단
  114. 114GDB 원격 디버깅 — OpenOCD·J-Link·target remote 구성
  115. 115Cortex-M 하드폴트 분석 — Stacked Frame·CFSR 읽기
  116. 116UART 안 찍힐 때 — Bare-metal 체크리스트
  117. 117임베디드 부팅 실패 진단 — 단계별 Isolation
  118. 118인터럽트 누락·중복 진단 — Priority·Pending·Re-entry 추적
  119. 119메모리 오버플로우·오염 진단 — Canary·MPU·Pattern 분석
  120. 120타이밍·Race 진단 — Heisenbug 잡는 법
  121. 121통신 프로토콜 분석 — Logic Analyzer와 Protocol Decoder
  122. 122임베디드 로깅 시스템 설계 — 레벨·버퍼·SWO·Deferred
  123. 123임베디드 포스트모템 분석 — Core Dump와 Field Crash
  124. 124FPGA 기초 분석 — LUT·FF·BRAM·DSP 자원 구조
  125. 125Vivado 사용법 — Project·Constraint·Synth·Impl·Bitstream
  126. 126PCIe BAR 매핑 분석 — Config Space·Enumeration·MMIO 접근
  127. 127AXI 인터페이스 — AXI4·AXI4-Lite·AXI-Stream 비교
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  129. 129Mailbox Protocol 분석 — Host와 Accelerator를 잇는 Doorbell
  130. 130Command Queue·Submission Queue — NVMe·XDMA 공통 패턴
  131. 131DMA Completion 메커니즘 — Interrupt·Polling·Completion Ring
  132. 132PCIe Streaming 분석 — BAR Type·MSI-X·Kernel Bypass
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  134. 134HLS 최적화 기법 — Pipeline·Unroll·Partition·Dataflow
  135. 135Vitis AI 분석 — DPU·xmodel·VART
  136. 136OpenCL on FPGA — Kernel·Channel·Burst Memory 분석
  137. 137Intel Quartus 사용법 — Platform Designer·Nios II·HLS
  138. 138Edge Inference 분석 — Cloud vs Edge·Latency·Privacy
  139. 139NPU 아키텍처 분석 — Ethos·Hexagon·Systolic Array 비교
  140. 140딥러닝 Quantization 분석 — PTQ·QAT·INT8·INT4·Calibration
  141. 141TensorRT 분석 — ONNX→Engine·FP16·INT8·DLA·Multi-Stream
  142. 142TFLite Micro 분석 — Op Resolver·Tensor Arena·Cortex-M
  143. 143ONNX Runtime 분석 — Execution Provider와 Cross-Platform 배포
  144. 144Edge Thermal Management — Throttling·DVFS·Fan Curve·Sustained
  145. 145NVIDIA Jetson 분석 — Nano·Xavier·Orin·Thor·JetPack·DLA·VPI
  146. 146Zero-Copy Camera Pipeline — V4L2·DMA-BUF·GPU Import·NPU 직결
  147. 147온디바이스 LLM 추론 — llama.cpp·GGUF·MLX·KV Cache·NPU Backend
  148. 148Cortex-M33 TF-M·TrustZone — Secure Firmware·PSA·MCUboot
  149. 149Matter·Thread 분석 — IoT 통합 표준·Commissioning·Multi-Fabric
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  151. 151QEMU CXL Type 3 디바이스 에뮬레이션 — 노트북에서 CXL 개발 환경 구축
  152. 152Linux CXL 드라이버 분석 — cxl_pci·cxl_core·region·DAX