Hazard Pointer 분석 — Lock-Free Memory Reclamation
#한 줄 요약
“Hazard pointer는 reader가 내가 지금 이 객체 쓰는 중을 광고하는 표지판입니다.” Writer는 그 표지판이 가리키지 않는 객체만 free합니다.
#어떤 상황에서 쓰나
Lock-free queue, stack, hash table을 만들 때 가장 큰 문제는 언제 free할 수 있는가입니다. 한 thread가 node를 막 dereference하기 직전, 다른 thread가 그 node를 dequeue하고 free하면 use-after-free가 발생합니다.
RCU가 grace period로 같은 문제를 풉니다. 차이는 bounded vs unbounded memory입니다. RCU는 grace period가 길어지면 메모리가 계속 쌓일 수 있지만, hazard pointer는 retired list 길이를 thread 수에 비례한 상한으로 잡습니다.
C++26에서 표준 라이브러리(std::hazard_pointer)에 들어올 예정입니다.
#핵심 개념
| 요소 | 역할 |
|---|---|
| hazard pointer | 각 thread가 “지금 보호 중인 pointer”를 공개 |
| retired list | 삭제 예정 객체들의 thread-local 모음 |
| scan | retired list 처리 시점에 모든 thread의 hazard pointer를 확인 |
기본 흐름입니다.
Reader:
p = atomic_load(&head)- publish:
my_hp = p - p가 여전히 head인지 재확인 (re-validate)
- p를 안전하게 사용
my_hp = NULL
Writer:
old = atomic_exchange(&head, new)retire(old)— free 즉시 X, retired list에 추가- retired list 크기가 임계 초과 시 scan
- scan에서 어느 thread의 hp도 가리키지 않는 항목만 free
RCU와 비교하면 다음과 같습니다.
| 항목 | RCU | Hazard Pointer |
|---|---|---|
| reader cost | ~0 (preempt disable) | atomic store + reload |
| writer cost | grace period 대기 | retired list scan |
| memory bound | grace period에 의존 | O(thread 수) |
| sleep in reader | 금지 (전통적) | 가능 |
| C++ 표준 | 없음 | C++26 std::hazard_pointer |
#코드 / 실제 사용 예
#최소 hazard pointer
#include <atomic>#include <thread>#include <vector>
static thread_local std::atomic<void *> my_hp{nullptr};
template <typename T>T *acquire(std::atomic<T *> *src) { T *p; do { p = src->load(std::memory_order_acquire); my_hp.store(p, std::memory_order_release); } while (src->load(std::memory_order_acquire) != p); /* 재확인 */ return p;}
void release(void) { my_hp.store(nullptr, std::memory_order_release);}publish 후 한 번 더 load해서 내가 본 pointer가 아직 같은지를 확인합니다. 그래야 publish와 동시에 일어난 변경이 안전하게 발견됩니다.
#Reader 사용
struct node { std::atomic<node *> next; int val; };std::atomic<node *> head;
int reader(void) { node *n = acquire(&head); if (!n) { release(); return 0; } int v = n->val; release(); return v;}acquire ~ release 사이에서만 n을 안전하게 dereference할 수 있습니다.
#Writer + retire
std::vector<node *> retired;
void retire(node *n) { retired.push_back(n); if (retired.size() >= 64) scan();}
void scan(void) { /* 모든 thread의 hazard pointer 수집 */ std::vector<void *> hps; for (auto *thread_hp : all_hps()) if (auto *p = thread_hp->load()) hps.push_back(p);
std::sort(hps.begin(), hps.end());
std::vector<node *> still_retired; for (auto *n : retired) { if (std::binary_search(hps.begin(), hps.end(), n)) still_retired.push_back(n); /* 누군가 보고 있음 */ else delete n; /* 안전하게 free */ } retired = std::move(still_retired);}scan은 retired list가 임계를 넘을 때만 호출합니다. retire 자체는 O(1)입니다.
#Multiple hazard pointers per thread
static thread_local std::array<std::atomic<void *>, 4> my_hps;
template <typename T>T *acquire_at(std::atomic<T *> *src, int slot) { T *p; do { p = src->load(); my_hps[slot].store(p); } while (src->load() != p); return p;}linked list traversal처럼 현재 + 다음을 동시에 보호해야 하는 경우 thread당 hazard pointer를 여러 개 둡니다. 보통 thread당 4~8개로 충분합니다.
#Lock-free stack (hazard pointer로 메모리 안전화)
struct snode { snode *next; int val; };std::atomic<snode *> top;
void push(int v) { snode *n = new snode{nullptr, v}; snode *old; do { old = top.load(); n->next = old; } while (!top.compare_exchange_weak(old, n));}
int pop(void) { snode *old; int v = 0; while (true) { old = acquire(&top); if (!old) { release(); return 0; } if (top.compare_exchange_weak(old, old->next)) { v = old->val; release(); retire(old); /* 즉시 delete X */ return v; } release(); }}pop이 old->next에 접근하기 직전, 다른 thread가 old를 free하면 사고입니다. hazard pointer가 그 보호를 제공합니다.
#C++26 표준
#include <hazard_pointer> /* C++26 (proposal) */
std::hazard_pointer hp;node *p = hp.protect(head);process(p);hp.reset_protection();
/* writer */old->retire(); /* 자동 retired list 관리 */C++26부터 표준 라이브러리에 들어와 보일러플레이트가 사라집니다.
#측정 / 성능 비교
패턴 reader latency throughput (8 thread)spinlock-protected list 200 ns 100 K ops/sRCU 10 ns 5 M ops/shazard pointer 25 ns 4 M ops/sRCU가 가장 빠르지만 hazard pointer도 매우 좋은 성능을 보입니다.
메모리 boundRCU grace period 비례 (수 ms 동안 retired 쌓임)hazard pointer ~thread 수 × retired threshold (bounded)real-time 환경처럼 메모리 상한이 필요한 경우 hazard pointer가 더 안전합니다.
#자주 보는 함정
publish 후 재확인 누락
p = src->load();my_hp.store(p);/* 재확인 안 함 — writer가 동시에 retire 가능 */return p;publish와 재확인을 모두 해야 race가 닫힙니다. 단순화로 보이지만 race window를 만듭니다.
Thread-local hazard pointer 등록 누락
/* main thread만 hp 슬롯 있음 — 새 thread는 없음 */std::thread t([](){ acquire(...); }); /* hp 슬롯 없음 */thread join 시점이 아닌 spawn 시점에 hp 슬롯을 할당해야 합니다.
retire 후 hp 재사용
release();retire(n);my_hp.store(n); /* 이미 retired된 n을 다시 보호 — UB */retire된 객체는 해당 thread도 다시 보호하면 안 됩니다.
scan 빈도 잘못 잡음
retire(n);scan(); /* 매 retire마다 scan — 매우 비쌈 */retired list가 임계(보통 thread 수 × 2)에 도달했을 때만 scan합니다.
ABA 동시 회피 안 함
/* hazard pointer만으로 ABA 해결되지 않음 */hazard pointer는 use-after-free를 막을 뿐 ABA는 별도 처리가 필요합니다. tagged pointer를 같이 씁니다.
#정리
- Hazard pointer는 reader가 보호 중인 pointer를 광고해 writer가 free 시점을 결정합니다.
- RCU와 비교해 memory가 bounded라는 점이 가장 큰 강점입니다.
- thread당 hazard pointer 수는 보통 4~8개로 충분합니다.
- C++26 표준 라이브러리에 들어옵니다(
std::hazard_pointer). - publish 후 재확인과 thread-local 등록이 정확성의 핵심입니다.
- ABA는 별도 처리가 필요합니다(tagged pointer 등).
- writer 메모리 회수가 bounded해야 하면 RCU보다 hazard pointer를 우선 고려합니다.
다음 편은 Compare-And-Swap 패턴입니다.
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