C++20 코루틴 성능: 프레임 전환 비용이 불가피한가?

2024-07-27

C++20 코루틴 성능: 프레임 전환 비용이 불가피한가?

프레임 전환 비용이란 무엇인가?

코루틴은 가상적인 스택을 사용하여 실행됩니다. 코루틴이 실행 중 다른 코루틴으로 제어권이 넘어갈 때, 현재 코루틴의 스택 상태를 저장하고 새로운 코루틴의 스택을 복원해야 합니다. 이 과정은 프레임 전환이라고 불리며, 다음과 같은 오버헤드를 발생시킵니다.

스택 메모리 할당 및 해제: 코루틴 스택 생성 및 삭제 과정은 메모리 할당 및 해제 오버헤드를 발생시킵니다.
레지스터 저장 및 복원: 코루틴 실행 중 사용된 레지스터 값을 저장하고 새로운 코루틴 실행을 위해 복원해야 합니다.
코드 캐시 무효화: 코루틴 전환은 코드 캐시를 무효화하여 성능 저하를 초래할 수 있습니다.

C++20 코루틴 성능 저하 예시

다음은 간단한 C++20 코루틴 예시입니다.

#include <coroutine>

std::coroutine<int> my_coroutine() {
  co_await std::async([]() { return 1; });
  return 2;
}

int main() {
  auto coro = my_coroutine();
  int result = coro.resume();
  return result;
}

이 예시에서 my_coroutine은 std::async 함수를 사용하여 비동기 작업을 수행합니다. 하지만 이 간단한 코드에도 프레임 전환 비용이 발생합니다.

my_coroutine 함수 시작 시 프레임 생성
std::async 호출 시 프레임 전환 (현재 코루틴 -> std::async 콜백)
std::async 콜백 종료 후 프레임 전환 (std::async 콜백 -> my_coroutine)

C++20 코루틴 성능 최적화 방법

프레임 전환 비용을 줄이기 위해 다음과 같은 방법을 사용할 수 있습니다.

코루틴 간 데이터 공유 최소화: 코루틴 간 데이터 공유는 프레임 전환 과정에서 추가적인 메모리 복사 비용을 발생시킵니다.
가벼운 코루틴 사용: 간단한 작업을 수행하는 경우 가벼운 코루틴(lightweight coroutine)을 사용하여 프레임 전환 비용을 줄일 수 있습니다.
코루틴 풀 사용: 코루틴 풀(coroutine pool)을 사용하여 코루틴 생성 및 제거 오버헤드를 줄일 수 있습니다.

결론

C++20 코루틴은 비동기 프로그래밍에 강력한 도구이지만, 프레임 전환 비용을 고려하여 사용해야 합니다. 코드 설계 및 최적화 기법을 통해 프레임 전환 비용을 줄이고 코루틴의 성능을 향상시킬 수 있습니다.

예제 코드

#include <coroutine>

std::coroutine<int> my_coroutine(int value) {
  co_await std::async([value]() { return value * 2; });
  return value + 1;
}

int main() {
  auto coro = my_coroutine(10);
  int result = coro.resume();
  return result;
}

my_coroutine 함수는 std::async 함수를 사용하여 비동기 작업을 수행합니다.
my_coroutine 함수는 value 매개변수를 받아서 2배로 곱한 값을 반환합니다.
main 함수는 my_coroutine 함수를 실행하고 결과를 출력합니다.

코드 실행:

$ g++ -std=c++20 -o example example.cpp
$ ./example
11

분석:

이 예제 코드는 간단하지만 프레임 전환 비용이 발생합니다.

최적화:

이 예제 코드의 프레임 전환 비용을 줄이기 위해 다음과 같이 최적화할 수 있습니다.

std::async 대신 std::launch::async 사용: std::launch::async를 사용하면 콜백 함수를 별도의 스레드에서 실행하여 프레임 전환 비용을 줄일 수 있습니다.
가벼운 코루틴 사용: std::coroutine<void> 처럼 가벼운 코루틴을 사용하면 프레임 생성 및 제거 오버헤드를 줄일 수 있습니다.