C# - .NET 7부터 추가된 Int128, UInt128
(gcc 등에서는 지원하지만) Visual C++도 지원하지 않는 Int128을 닷넷 8부터 추가해 C# 언어에서도 사용할 수 있게 되었습니다. ^^
Int128 Struct
; https://learn.microsoft.com/en-us/dotnet/api/system.int128
단지, 다른 타입과는 달리 C# 측에서 대응하는 alias가 없어 BigInteger를 사용하듯이 써야 합니다.
{
Int128 value = long.MaxValue;
value *= long.MaxValue;
Console.WriteLine(value); // 85070591730234615847396907784232501249
}
{
Int128 value = Int128.Parse("85070591730234615847396907784232501249");
Console.WriteLine(value);
}
개인적으로 이걸 보고 궁금했던 게,
Interlocked 측에서의 지원이 있느냐는 것이었습니다. 아쉽게도 여전히 (8바이트) long 형식까지만 지원하지만, 그래도 아예 불가능한 것은 아닙니다. 만들면 되니까요? ^^
이를 위해 우리는 inline asm 기법을 사용해야 합니다.
C++의 inline asm 사용을 .NET으로 포팅하는 방법
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/1267
게다가 InterlockedCompareExchange128 API를 구현한 소스 코드가 GitHub에 있으니,
Execute a InterlockedCompareExchange128 natively from C#
; https://gist.github.com/jduncanator/ab17e4e476300d3eb0b7c19f6f38429a
기왕이면 여기에 함수 포인터를 곁들여,
C# 9.0 - (6) 함수 포인터(Function pointers)
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/12374
다음과 같은 식으로,
using System.Runtime.InteropServices;
namespace int128sample;
public unsafe class InterlockedExtension
{
// Execute a InterlockedCompareExchange128 natively from C#
// ; https://gist.github.com/jduncanator/ab17e4e476300d3eb0b7c19f6f38429a
static byte[] asmCmpXchg16b = new byte[] {
0x48, 0x89, 0x5C, 0x24, 0x08, // MOV [RSP+0x8], RBX
0x49, 0x8B, 0x01, // MOV RAX, [R9]
0x49, 0x89, 0xCA, // MOV R10, RCX
0x48, 0x89, 0xD1, // MOV RCX, RDX
0x4C, 0x89, 0xC3, // MOV RBX, R8
0x49, 0x8B, 0x51, 0x08, // MOV RDX, [R9+0x8]
0xF0, 0x49, 0x0F, 0xC7, 0x0A, // LOCK CMPXCHG16B [R10]
0x48, 0x8B, 0x5C, 0x24, 0x08, // MOV RBX, [RSP+0x8]
0x49, 0x89, 0x01, // MOV [R9], RAX
0x0F, 0x94, 0xC0, // SETE AL
0x49, 0x89, 0x51, 0x08, // MOV [R9+0x8], RDX
0xC2, 0x00, 0x00 // RET 0
};
public static delegate* unmanaged[Stdcall, SuppressGCTransition] _InterlockedCompareExchange128;
static GCHandle _InterlockedCompareExchange128Handle;
static InterlockedExtension()
{
_InterlockedCompareExchange128Handle = GCHandle.Alloc(asmCmpXchg16b, GCHandleType.Pinned);
nint pData = (nint)_InterlockedCompareExchange128Handle.AddrOfPinnedObject().ToPointer();
EnsureMemoryIsExecutable(pData, asmCmpXchg16b.Length);
_InterlockedCompareExchange128 = (delegate* unmanaged[Stdcall, SuppressGCTransition])pData;
}
// ...[생략]...
}
기반을 만들 수 있습니다. 간단하게 테스트 코드는 이렇게 만들 수 있고!
{
Int128 value = 0;
Int128 comparand = 0;
InterlockedExtension._InterlockedCompareExchange128((long*)&value, 0, 1, (long*)&comparand);
Console.WriteLine(value); // 출력 결과: 1
}
그런데 실행해 보면, 지난 글에서 다룬 것과 동일한 aligned 문제가,
Visual C++ - InterlockedCompareExchange128 사용 방법
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/13472#align16
GC Heap 또는 스택에 할당된 Int128 변수에 적용되므로 이런 예외가 확률적으로 발생하게 됩니다.
Fatal error. System.AccessViolationException: Attempted to read or write protected memory. This is often an indication that other memory is corrupt.
at int128sample.Program.Main(System.String[])
만약 오류가 발생한다면 다음과 같이 변수 앞에 임시 조치를 취하면,
{
long temporary = 0; // 8바이트 점유
Int128 value = 0; // 이전에 8바이트 정렬이었다면 (운이 따르는 경우) temporary 변수로 인해 16바이트 위치로 변경
// ...[생략]...
}
16바이트 정렬 효과를 갖게 돼 정상적으로 실행될 것입니다. 물론, 이 방법을 (release 빌드에서는 없어지는 문제도 있고, 최적화 시 재정렬될 수도 있으므로) 업무 코드에서 사용할 수는 없습니다. 그렇다면, C/C++의 경우 전역 변수를 사용하면 16바이트 정렬이 되었는데, C#은 어떨까요?
C#은 전역 변수라는 것이 없이, class 또는 struct 내에 static으로 흉내를 낼 수 있는데요,
internal unsafe class Program
{
static Int128 g_value = 0;
static void Main(string[] args)
{
fixed(Int128* ptr = &g_value)
{
Int128 value = 0;
Int128 comparand = 0;
InterlockedExtension._InterlockedCompareExchange128((long*)ptr, 0, 1, (long*)&comparand);
Console.WriteLine(value);
}
}
}
이것 역시 확률적으로 crash가 발생합니다. 이유는, g_value가 GC Heap(
HighFrequencyHeap)에 할당이 될 텐데 그런 경우 16바이트 정렬된 위치에 할당이 되리라는 것을 보장할 수 없기 때문입니다.
그렇다고 C#에 C/C++과 같은 "__declspec(align(16))"이 있는 것도 아니고... 난감하군요. ^^
자, 그렇다면 C#에서 해결해야 할 가장 큰 난제는 바로 정렬입니다. 이를 위해 StructLayout의 Pack이 있지만,
[StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 16)]
public struct Data
{
byte __padding0; // (운에 따라) 이 위치가 0x0018이라면,
public Int128 Value; // 이 위치는 16바이트를 건너 뛴 0x0028로 정렬
}
비록 alignment에 관여를 하긴 해도, 그것은 내부 멤버들의 정렬에 영향을 주는 것이기 때문에 애당초 저 구조체가 8바이트 정렬로 되는 것을 막을 수는 없습니다.
그렇다면 Win32 API를 interop 해야 할 것 같은데, 다행히 .NET 6부터 NativeMemory.AlignedAlloc이 제공되므로,
NativeMemory.AlignedAlloc(UIntPtr, UIntPtr) Method
; https://learn.microsoft.com/en-us/dotnet/api/system.runtime.interopservices.nativememory.alignedalloc
이것을 감싸 다음과 같은 도우미 타입을 만들 수 있습니다.
public unsafe class NativeInt128 : IDisposable
{
nint _value;
public NativeInt128() : this(0)
{
}
public NativeInt128(long value)
{
_value = (nint)NativeMemory.AlignedAlloc(16, 16);
*(Int128*)_value = value;
}
public nint ValuePtr
{
get { return _value; }
}
public Int128 Value
{
get
{
return *(Int128*)_value;
}
set
{
*(Int128*)_value = value;
}
}
public void Dispose()
{
Dispose(true);
GC.SuppressFinalize(this);
}
~NativeInt128()
{
Dispose(false);
}
protected virtual void Dispose(bool disposing)
{
if (_value == 0)
{
return;
}
NativeMemory.Free(_value.ToPointer());
_value = 0;
}
}
그런 다음, 이렇게 써야 그나마 안전하게 C#에서 Int128에 대한 InterlockedCompareExchange128 코드를 사용할 수 있습니다.
NativeInt128 data = new NativeInt128();
Int128 comparand = 0;
InterlockedExtension._InterlockedCompareExchange128((long*)data.ValuePtr, 0, 1, (long*)&comparand);
자, 여기까지 모두 준비되었으면 이제 InterlockedCompareExchange128을 이용해 Interlocked Increment 기능도 구현할 수 있습니다.
public void InterlockedIncrement()
{
Int128 comparand = *(Int128*)_value;
long* ptrLow;
long* ptrHigh;
Int128 newValue;
ptrLow = (long*)&newValue;
ptrHigh = ptrLow + 1;
do
{
newValue = comparand + 1;
} while (InterlockedExtension._InterlockedCompareExchange128((long*)_value,
*ptrHigh, *ptrLow, (long*)&comparand) == 0);
}
결국 이렇게 해서 구현하긴 했지만, 사실 이 과정을 그냥 하나의 응용 사례라고만 보시고 실제 코드는 단순히 lock을 쓰는 것이 훨씬 더 효율적입니다. ^^
object _lockValue = new object();
public void InterlockedIncrement()
{
lock (_lockValue)
{
this.Value ++;
}
}
(
첨부 파일은 이 글의 예제 코드를 포함합니다.)
참고로, System.Text.Json에서의 Int128 직렬화는 .NET 8부터 추가되었다고 합니다.
Built-in support for Half, Int128 and UInt128 numeric types
; https://devblogs.microsoft.com/dotnet/announcing-dotnet-8-preview-7/#built-in-support-for-half-int128-and-uint128-numeric-types
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