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Modern Embedded Recipes · 105/152

Compare-And-Swap 패턴 — Stack·Counter·Linked List 적용

· Hawk · 4분 읽기

#한 줄 요약

“CAS = if (*p == old) *p = new원자적으로.” Lock-free의 가장 기본 도구이고, 거의 모든 lock-free 자료구조의 hot path가 CAS loop입니다.

#어떤 상황에서 쓰나

Lock-free counter, stack, queue, hash table을 만들 때 거의 항상 CAS가 hot path에 들어갑니다. Mutex로 보호하면 contention 시 모든 thread가 한 줄로 줄을 서지만, CAS는 경합에 진 thread만 다시 시도합니다.

또 한 가지 흔한 상황은 단순한 원자적 갱신입니다. counter를 증가시키되 일정 max를 넘기지 않는 saturating counter는 fetch_add로는 정확히 표현할 수 없습니다. CAS loop이 깔끔합니다.

#핵심 개념

bool compare_exchange_strong(T &expected, T desired);
bool compare_exchange_weak (T &expected, T desired);
expected에 현재 *p를 in/out로 받음
*p == expected이면 *p = desired, return true
아니면 expected = *p, return false (재시도용)

weak는 spurious failure(거짓 실패)가 가능하지만 LL/SC architecture(ARM)에서 더 빠릅니다. loop 안에서는 항상 weak를 씁니다.

typical CAS loop
do {
T cur = atomic_load(p);
T new_val = compute(cur);
} while (!atomic_compare_exchange_weak(p, &cur, new_val));

contention이 크면 backoff(잠시 wait 후 재시도)로 cache line ping-pong을 줄입니다.

#코드 / 실제 사용 예

#기본 CAS loop — saturating counter

std::atomic<int> counter{0};
void inc_saturating(int max) {
int cur, next;
do {
cur = counter.load(std::memory_order_relaxed);
if (cur >= max) return;
next = cur + 1;
} while (!counter.compare_exchange_weak(
cur, next, std::memory_order_release, std::memory_order_relaxed));
}

fetch_add로는 max 체크를 atomic하게 못 합니다. CAS loop이 표준 답입니다.

#Lock-free stack push

struct node { node *next; int val; };
std::atomic<node *> top;
void push(int v) {
node *n = new node{nullptr, v};
node *cur = top.load(std::memory_order_relaxed);
do {
n->next = cur;
} while (!top.compare_exchange_weak(cur, n,
std::memory_order_release, std::memory_order_relaxed));
}

cur가 in/out로 작동하므로 fail 시 자동으로 갱신됩니다. loop 본문이 매우 짧습니다.

#CAS로 mutex try-lock

std::atomic<int> locked{0};
bool try_lock(void) {
int expected = 0;
return locked.compare_exchange_strong(
expected, 1, std::memory_order_acquire);
}
void unlock(void) {
locked.store(0, std::memory_order_release);
}

가장 단순한 spinlock입니다. ticket lock이나 MCS lock으로 발전할 수 있습니다.

#Strong vs Weak

/* loop 밖 — strong (단순한 의도) */
int expected = 0;
if (!locked.compare_exchange_strong(expected, 1)) {
/* 누가 이미 잡고 있음 */
}
/* loop 안 — weak (spurious 허용, ARM에서 빠름) */
do {
cur = p.load();
} while (!p.compare_exchange_weak(cur, cur + 1));

strong은 가짜 실패가 없으니 한 번만 시도할 때 적합하고, weak는 어차피 loop면 더 가볍습니다.

#Exponential backoff

void cas_with_backoff(std::atomic<int> *p) {
int delay = 1;
int cur;
do {
cur = p->load();
for (int i = 0; i < delay; i++)
__asm__ volatile("yield" ::: "memory");
if (delay < 1024) delay *= 2;
} while (!p->compare_exchange_weak(cur, cur + 1));
}

yield 명령(ARM)이나 pause(x86)로 cache line ping-pong을 줄입니다. contention이 클 때 throughput이 회복됩니다.

#Tagged pointer로 ABA 회피

struct tagged_ptr {
node *p;
uint64_t tag;
};
std::atomic<tagged_ptr> top; /* DCAS 또는 __int128 atomic 필요 */
void push(int v) {
node *n = new node{nullptr, v};
tagged_ptr old, neu;
do {
old = top.load();
n->next = old.p;
neu = { n, old.tag + 1 }; /* tag 증가 */
} while (!top.compare_exchange_weak(old, neu));
}

ABA를 회피하려면 pointer만으로는 부족하고 tag(혹은 version)을 같이 비교해야 합니다.

#compare-exchange + sequence number (RingBuffer)

struct slot {
std::atomic<uint64_t> seq;
T data;
};
bool try_enqueue(T v) {
uint64_t pos = enq_pos.load();
slot &s = buf[pos & mask];
uint64_t seq = s.seq.load(std::memory_order_acquire);
intptr_t diff = (intptr_t)seq - (intptr_t)pos;
if (diff == 0) {
if (enq_pos.compare_exchange_weak(pos, pos + 1)) {
s.data = v;
s.seq.store(pos + 1, std::memory_order_release);
return true;
}
} else if (diff < 0) return false; /* full */
return false;
}

Vyukov MPMC queue의 핵심 패턴입니다. CAS로 enqueue 위치를 예약하고 sequence number로 안전한 publish를 합니다.

#측정 / 성능 비교

연산 시간 (Cortex-A72, no contention)
atomic load (relaxed) 2 cycle
atomic store (release) 4 cycle
CAS (uncontended) ~6 cycle
CAS (contended, 2 thread) ~80 cycle (cache line ping)
CAS (contended, 8 thread) >300 cycle (강한 contention)

contention이 커질수록 CAS는 급격히 비싸집니다. backoff와 sharding이 필수입니다.

backoff 효과 (8 thread, 1M iteration)
backoff 없음 8.2 s
linear backoff 4.1 s
exponential backoff 2.3 s

exponential backoff가 throughput을 두 배 이상 회복합니다.

#자주 보는 함정

Strong을 loop 안에

do {
cur = p.load();
} while (!p.compare_exchange_strong(cur, cur + 1)); /* weak가 더 빠름 */

loop 안에서는 항상 weak가 더 빠릅니다. ARM에서 결정적으로 차이 납니다.

CAS 결과 무시

p.compare_exchange_weak(cur, new); /* return 무시 — fail 처리 안 함 */

CAS는 fail 가능합니다. 반드시 retry 또는 fail path를 정의합니다.

Backoff 없이 hot CAS

while (!p.compare_exchange_weak(cur, cur + 1)); /* contention 시 burn */

10개 thread가 backoff 없이 같은 cache line을 두고 싸우면 throughput이 1/10 이하로 떨어집니다.

Memory order 누락

p.compare_exchange_weak(cur, new, std::memory_order_relaxed); /* publish 안 됨 */

CAS는 보통 acquire 또는 release semantic이 필요합니다. relaxed로 두면 다른 thread가 보는 순서가 깨집니다.

ABA 무시

/* pointer만 CAS — ABA 발생 가능 */
do { cur = p.load(); } while (!p.compare_exchange_weak(cur, cur->next));

A → B → A 사이에 free + 재할당이 일어났다면 CAS는 성공하지만 의미가 다릅니다. tagged pointer나 hazard pointer가 필요합니다.

#정리

  • CAS는 lock-free의 기본 도구입니다.
  • loop 안에서는 weak, 단일 시도는 strong을 씁니다.
  • contention이 크면 exponential backoff가 필수입니다.
  • ABA는 CAS만으로 해결되지 않습니다. tagged pointer나 hazard pointer가 필요합니다.
  • Memory order는 일반적으로 publish에 release, consume에 acquire가 표준입니다.
  • sharding(per-CPU counter 등)으로 contention 자체를 줄이는 것이 가장 좋습니다.
  • CAS 결과는 반드시 처리합니다. fail path가 명확해야 합니다.

다음 편은 Atomic operation 비용입니다. memory order별 ARM 명령어 차이를 다룹니다.

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Modern Embedded Recipes · 106 of 152

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  106. 106Compare-And-Swap 패턴 — Stack·Counter·Linked List 적용
  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
  128. 128Zynq PS-PL 통신 — GP·HP·ACP 인터페이스 선택
  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
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  142. 142TFLite Micro 분석 — Op Resolver·Tensor Arena·Cortex-M
  143. 143ONNX Runtime 분석 — Execution Provider와 Cross-Platform 배포
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  147. 147온디바이스 LLM 추론 — llama.cpp·GGUF·MLX·KV Cache·NPU Backend
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