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<div style='display: inline'> <h1 style='font-family: Malgun Gothic, Consolas; font-size: 20pt; color: #006699; text-align: center; font-weight: bold'>Win32 socket이 Thread-safe할까?</h1> <p> 지난번에는 닷넷의 System.Net.Sockets.Socket 타입에 대한 thread-safe 이야기를 했었는데요.<br /> <br /> <pre style='margin: 10px 0px 10px 10px; padding: 10px 0px 10px 10px; background-color: #fbedbb; overflow: auto; font-family: Consolas, Verdana;' > System.Net.Sockets.Socket이 Thread-safe할까? ; <a target='tab' href='http://www.sysnet.pe.kr/2/0/1469'>http://www.sysnet.pe.kr/2/0/1469</a> </pre> <br /> 그럼, 이번에는 닷넷의 하위로 내려가서 윈도우 운영체제의 socket에 대한 thread-safe 문제를 살펴보겠습니다. 검색을 좀 해보면 이에 대해서 많은 질문/답변이 있는 것을 확인할 수 있는데, 그만큼 의견도 다양합니다. ^^ 우선, thread-safe하지 않다는 몇몇 글을 볼까요?<br /> <br /> <pre style='margin: 10px 0px 10px 10px; padding: 10px 0px 10px 10px; background-color: #fbedbb; overflow: auto; font-family: Consolas, Verdana;' > Is Winsock thread-safe? ; <a target='tab' href='http://tangentsoft.net/wskfaq/intermediate.html#threadsafety'>http://tangentsoft.net/wskfaq/intermediate.html#threadsafety</a> C socket API is thread safe? ; <a target='tab' href='http://stackoverflow.com/questions/2354417/c-socket-api-is-thread-safe'>http://stackoverflow.com/questions/2354417/c-socket-api-is-thread-safe</a> </pre> <br /> 첫 번째 글에서는 send/receive에 대한 동시 호출은 안전하지만 send/send는 그렇지 않다고 합니다. 두 번째 글의 덧글에는 "Sending data via a socket is not a atomic transaction - any non-atomic transaction will require a lock/synchronisation. This is independent of the platform."라고 해서 역시 thread-safe하지 않다고 합니다.<br /> <br /> 반면에 다음의 글에서는 의견이 다릅니다.<br /> <br /> <pre style='margin: 10px 0px 10px 10px; padding: 10px 0px 10px 10px; background-color: #fbedbb; overflow: auto; font-family: Consolas, Verdana;' > Are parallel calls to send/recv on the same socket valid? ; <a target='tab' href='http://stackoverflow.com/questions/1981372/are-parallel-calls-to-send-recv-on-the-same-socket-valid'>http://stackoverflow.com/questions/1981372/are-parallel-calls-to-send-recv-on-the-same-socket-valid</a> </pre> <br /> 위의 덧글에는 다음과 같은 설명을 포함합니다.<br /> <br /> <div style='BACKGROUND-COLOR: #ccffcc; padding: 10px 10px 5px 10px; MARGIN: 0px 10px 10px 10px; FONT-FAMILY: Malgun Gothic, Consolas, Verdana; COLOR: #005555'> 1) POSIX defines send/recv as atomic operations<br /> <br /> 2) The socket descriptor belongs to the process, not to a particular thread. Hence, it is possible to send/receive to/from the same socket in different threads, the OS will handle the synchronization.</div><br /> <br /> 애석하게도 이건 그들의 의견일 뿐 명백하게 문서화된 내용이 없다는 것이 문제입니다. 저도 MSDN 문서에서 socket 관련한 내용을 뒤져보았지만 마이크로소프트는 이에 대해 thread safe/not-safe에 대한 어떠한 명시도 하지 않고 있습니다.<br /> <br /> 따라서, 이 글의 결론은 마이크로소프트에 의해 공식적으로 확인된 것은 아니고 제 개인적인 의견을 담고 있다는 것을 미리 ^^ 밝혀두는 바입니다.<br /> <br /> <hr style='width: 50%' /><br /> <br /> 이거저거 조사해 보면 일단 제 의견은 Win32에서 제공되는 socket.send가 thread-safe 하다는 쪽에 무게를 두고 있습니다. 왜냐고요? ^^<br /> <br /> 우선, <a target='tab' href='http://www.sysnet.pe.kr/2/0/1469'>지난번 글에 쓴 것</a>처럼 Microsoft는 Win32 Socket에 대한 thread-safe는 명시하지 않았지만 .NET Framework의 Socket에 대한 thread-safe은 명시를 했습니다. 이게 어떤 의미를 갖냐면... .NET도 결국 내부적으로는 Win32 Socket의 send를 호출하기 때문에 간접적인 증거로 작용할 수 있습니다. 실제로 System.Net.Sockets.Socket.Send 메소드를 .NET Reflector로 보면 다음과 같이 어떠한 내부적인 잠금 없이 곧바로 Win32 send를 호출하는 것을 확인할 수 있습니다.<br /> <br /> <pre style='margin: 10px 0px 10px 10px; padding: 10px 0px 10px 10px; background-color: #fbedbb; overflow: auto; font-family: Consolas, Verdana;' > public unsafe int Send(byte[] buffer, int offset, int size, SocketFlags socketFlags, out SocketError errorCode) { // ...[생략]... if (buffer.Length == 0) { num = UnsafeNclNativeMethods.OSSOCK.send(this.m_Handle.DangerousGetHandle(), null, 0, socketFlags); } else { fixed (byte* numRef = buffer) { num = UnsafeNclNativeMethods.OSSOCK.send(this.m_Handle.DangerousGetHandle(), numRef + offset, size, socketFlags); } } // ...[생략]... return num; } [DllImport("ws2_32.dll", SetLastError=true)] internal static extern unsafe int send([In] IntPtr socketHandle, [In] byte* pinnedBuffer, [In] int len, [In] SocketFlags socketFlags); </pre> <br /> 따라서, Win32 Socket 역시 thread-safe 하다는 결론이 나옵니다.<br /> <br /> 또 다른 간접적인 증거가 하나 있다면 WSASend에 설명된 MSDN의 문서입니다.<br /> <br /> <pre style='margin: 10px 0px 10px 10px; padding: 10px 0px 10px 10px; background-color: #fbedbb; overflow: auto; font-family: Consolas, Verdana;' > WSASend function ; <a target='tab' href='https://docs.microsoft.com/en-us/windows/win32/api/winsock2/nf-winsock2-wsasend'>https://docs.microsoft.com/en-us/windows/win32/api/winsock2/nf-winsock2-wsasend</a> </pre> <br /> <div style='BACKGROUND-COLOR: #ccffcc; padding: 10px 10px 5px 10px; MARGIN: 0px 10px 10px 10px; FONT-FAMILY: Malgun Gothic, Consolas, Verdana; COLOR: #005555'> <span style='color: blue; font-weight: bold'>If you are using I/O completion ports</span>, be aware that the order of calls made to WSASend is also the order in which the buffers are populated. <span style='color: blue; font-weight: bold'>WSASend should not be called on the same socket simultaneously from different threads</span>, because it can result in an unpredictable buffer order.</div> <br /> 위의 글에서는 WSASend가 "I/O completion ports"를 사용하는 상황에서는 버퍼 관리 때문에 thread-safe하지 않다고 나옵니다. 만약, 소켓 자체가 thread-safe하지 않았으면 애당초 이런 글이 나왔을리 없으므로, 조심스럽게 소켓이 thread-safe하지 않을까 하는 결론이 나옵니다.<br /> <br /> <hr style='width: 50%' /><br /> <br /> 비록 문서상으로 명확하게 밝혀진 것은 아니지만, 이에 대해 <a target='tab' href='http://www.sysnet.pe.kr/2/0/1469'>지난번 글에서 했던 것과 동일한 테스트</a>를 통해 검증해 보는 것은 어떨까요? ^^<br /> <br /> 우선, C/C++ 클라이언트 프로그램을 단일 스레드 예제로 닷넷 소켓 서버와 호환되게 맞춰서 만들어 보았습니다.<br /> <br /> <pre style='margin: 10px 0px 10px 10px; padding: 10px 0px 10px 10px; background-color: #fbedbb; overflow: auto; font-family: Consolas, Verdana;' > #include "stdafx.h" #include <Windows.h> #include <WinSock2.h> #include "CommonPacket.h" #pragma comment(lib, "Ws2_32.lib") #include <string> using namespace std; bool MustSendBuffer(SOCKET socket, byte *dataBuf, int mustSend); int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { ::Sleep(2000); string body = ""; string chunk = ""; for (int i = 0; i < 10; i ++) { chunk += to_string(i); } int loopCount = 10000; for (int i = 0; i < loopCount; i ++) { body += chunk; } /* UTF-8 CPP ; http://sourceforge.net/projects/utfcpp/ */ // 문자열을 utf-8 인코딩 시키고 vector<unsigned char> dataBuf; utf8::utf16to8(body.begin(), body.end(), back_inserter(dataBuf)); WSADATA wsaData; int result = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData); if (result != NO_ERROR) { wprintf(L"WSAStartup function failed with error: %d\n", result); return 1; } SOCKET socket = INVALID_SOCKET; do { sockaddr_in target; target.sin_family = AF_INET; // target.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.70"); target.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); target.sin_port = htons(11200); socket = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); if (socket == INVALID_SOCKET) { wprintf(L"socket function failed with error: %ld\n", WSAGetLastError()); break; } result = ::connect(socket, (SOCKADDR *)&target, sizeof(target)); if (result == SOCKET_ERROR) { wprintf(L"connect function failed with error: %ld\n", WSAGetLastError()); break; } int instanceId = 0; ::send(socket, (const char *)&instanceId, sizeof(int), 0); for (int i = 0; i < loopCount; i++) { CommonPacket packet(i); packet.AddData(dataBuf); BYTE *dataBuf = packet.GetBuffer(); int bufferSize = packet.GetBufferSize(); MustSendBuffer(socket, dataBuf, bufferSize); } } while (false); if (socket != INVALID_SOCKET) { result = ::closesocket(socket); if (result == SOCKET_ERROR) { wprintf(L"closesocket function failed with error: %ld\n", WSAGetLastError()); } socket = INVALID_SOCKET; printf("TCP Client socket: Closed\n"); } WSACleanup(); return 0; } bool MustSendBuffer(SOCKET socket, byte *dataBuf, int mustSend) { int pos = 0; while (true) { int sentLength = ::send(socket, (const char *)dataBuf + pos, mustSend, 0); if (sentLength == 0) { return false; } if (sentLength == -1) { printf("Socket Failed: %d", ::WSAGetLastError()); return false; } mustSend -= sentLength; pos += sentLength; if (mustSend == 0) { return true; } } } </pre> <br /> 물론 단일 스레드 예제이므로 잘 동작합니다. ^^ 그다음, 이것을 다중 스레드로 버전으로 바꿔 보았습니다.<br /> <br /> <pre style='margin: 10px 0px 10px 10px; padding: 10px 0px 10px 10px; background-color: #fbedbb; overflow: auto; font-family: Consolas, Verdana;' > #include "stdafx.h" #include <Windows.h> #include <WinSock2.h> #include "..\SocketClientST\CommonPacket.h" #pragma comment(lib, "Ws2_32.lib") #include <string> #include <thread> #include <ppl.h> using namespace std; typedef struct tagThreadParam { int Sent; Concurrency::critical_section *Sync; SOCKET ClientSocket; vector<CommonPacket *> *Packets; } ThreadParam; bool MustSendBuffer(SOCKET socket, byte *dataBuf, int mustSend); void sendBufferThread(ThreadParam *threadParam) { while (true) { CommonPacket *packet = nullptr; threadParam->Sync->lock(); { if (threadParam->Packets->size() != 0) { packet = threadParam->Packets->back(); threadParam->Packets->pop_back(); threadParam->Sent ++; } } threadParam->Sync->unlock(); if (packet == nullptr) { break; } BYTE *dataBuf = packet->GetBuffer(); int bufferSize = packet->GetBufferSize(); MustSendBuffer(threadParam->ClientSocket, dataBuf, bufferSize); } } int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { ::Sleep(2000); string body = ""; string chunk = ""; for (int i = 0; i < 10; i ++) { chunk += to_string(i); } int loopCount = 10000; for (int i = 0; i < loopCount; i ++) { body += chunk; } vector<unsigned char> dataBuf; utf8::utf16to8(body.begin(), body.end(), back_inserter(dataBuf)); WSADATA wsaData; int result = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData); if (result != NO_ERROR) { wprintf(L"WSAStartup function failed with error: %d\n", result); return 1; } SOCKET socket = INVALID_SOCKET; do { sockaddr_in target; target.sin_family = AF_INET; // target.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.70"); target.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); target.sin_port = htons(11200); socket = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); if (socket == INVALID_SOCKET) { wprintf(L"socket function failed with error: %ld\n", WSAGetLastError()); break; } result = ::connect(socket, (SOCKADDR *)&target, sizeof(target)); if (result == SOCKET_ERROR) { wprintf(L"connect function failed with error: %ld\n", WSAGetLastError()); break; } int instanceId = 0; ::send(socket, (const char *)&instanceId, sizeof(int), 0); vector<CommonPacket *> packets; for (int i = 0; i < loopCount; i ++) { CommonPacket *packet = new CommonPacket(i); packet->AddData(dataBuf); packets.push_back(packet); } vector<std::thread *> threads; ThreadParam param; Concurrency::critical_section sync; param.Sync = &sync; param.Packets = &packets; param.ClientSocket = socket; // 20개의 스레드를 만들어서, // vector에 담아둔 CommonPacket 내용을 socket send API를 통해 서버로 전송 for (int i = 0; i < 20; i ++) { thread *aThread = new thread(sendBufferThread, &param); threads.push_back(aThread); } for (size_t i = 0; i < threads.size(); i ++) { threads[i]->join(); delete threads[i]; } threads.clear(); for (size_t i = 0; i < packets.size(); i ++) { delete packets[i]; } packets.clear(); } while (false); if (socket != INVALID_SOCKET) { result = ::closesocket(socket); if (result == SOCKET_ERROR) { wprintf(L"closesocket function failed with error: %ld\n", WSAGetLastError()); } socket = INVALID_SOCKET; printf("TCP Client socket: Closed\n"); } WSACleanup(); return 0; } </pre> <br /> 오~~~ 훌륭합니다. ^^ C/C++ 표준의 발전으로 threads가 포함되어 지난번에 작성했던 C# 예제를 거의 1:1 매핑 식으로 C/C++로 포팅하는 작업이 자연스럽게 이뤄집니다.<br /> <br /> 결과를 실행해 보면 닷넷의 Socket 때와 마찬가지로 서버 측에서의 데이터 검증 작업이 성공하는 것을 확인할 수 있습니다. (물론, 지난번 글에도 언급했지만, 이건 실험값에 불과하다는 점을 간과해서는 안됩니다.)<br /> <br /> <a target='tab' href='http://www.sysnet.pe.kr/bbs/DownloadAttachment.aspx?fid=784&boardid=331301885'>이 글에서 사용된 C/C++ 예제 역시 첨부</a>해 두었습니다. (참고로, 서버 예제는 <a target='tab' href='http://www.sysnet.pe.kr/2/0/1469'>지난번 글의 코드</a>와 완전히 동일합니다.) 이번에도 역시 테스트 코드의 조건에 의문 사항이나 개선이 필요하면 덧글 부탁드립니다<br /> </p><br /> <br /><hr /><span style='color: Maroon'>[이 글에 대해서 여러분들과 의견을 공유하고 싶습니다. 틀리거나 미흡한 부분 또는 의문 사항이 있으시면 언제든 댓글 남겨주십시오.]</span> </div>
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