해설 — C++ 중복 접속 / 동시 로그인 처리 (기존 세션 킥)

난이도: 상

답변 프레임워크: 요약 → 문제 분류 → 원인 → 수정안 → 더 나은 설계

요약

"기존 세션 조회 → (락 밖) 킥/delete → 새 세션 등록"이 **여러 락 구간으로 쪼개진 비원자 연산(check-then-act)**이다. 같은 계정의 로그인 두 개가 동시에 들어오면 둘 다 서로의 등록을 보지 못해 둘 다 살아남거나(중복 세션), 등록 순서가 엇갈려 방금 들어온 세션이 옛 세션 정리에 휘말리는 고전적 TOCTOU 버그가 발생한다. 게다가 raw 포인터를 delete로 정리하므로 use-after-free / double-free 위험이 겹치고, OnSessionClosed도 새 세션을 잘못 지우고 해제한다.

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문제점

(B)+(E) 비원자 check-then-act (TOCTOU) → 중복 세션 (분류: 동시성/정확성)

• 증상: 락을 조회할 때 한 번, 등록할 때 또 한 번 따로 잡는다. 그 사이는 락이 풀려 있다. 같은 계정 로그인 T1, T2가 거의 동시에 들어오면:
  1. T1: 조회 → old=nullptr
  2. T2: 조회 → old=nullptr (아직 T1이 등록 안 함)
  3. T1: online_[acc]=S1
  4. T2: online_[acc]=S2 ← S1을 킥하지 않고 덮어씀 결과: S1은 맵에서 사라졌지만 Disconnect/delete되지 않아 살아있는 유령(누수), S2도 활성. 계정당 1세션 불변식 깨짐.
• 재현조건: 멀티 디바이스 동시 로그인, 재접속 폭주, 따닥 클릭.
• 근본원인: "조회+킥+등록"이 하나의 임계 구역이어야 하는데 분할됨. (A)의 future.get() 블로킹 때문에 그 사이가 더 벌어진다.

(A) future.get() 블로킹을 사이에 둔 상태 변경 (분류: 동시성/성능)

• 증상: 인증(AuthenticateAsync(...).get())이 수십 ms 동안 IO 스레드를 블로킹. 이 구간 동안 다른 로그인이 끼어들어 맵 상태가 바뀐다. 또 "old를 읽은 시점"과 "old를 등록 덮어쓰는 시점" 사이가 벌어져 race 창이 커진다. IO 스레드가 future를 블로킹 대기하면 스레드 풀 고갈로 처리량도 떨어진다.
• 근본원인: 원자적이어야 할 트랜잭션 사이에 블로킹 경계가 들어감. 비동기 인증은 완료 콜백/continuation으로 이어가야지 .get()으로 막으면 안 된다.

(C)+(D) 락 밖 킥 + raw delete → use-after-free / double-free (분류: 수명관리, 치명)

• 증상: old를 락 밖에서 Disconnect 후 delete. 그런데 같은 계정의 또 다른 로그인이나 OnSessionClosed가 동시에 같은 old 포인터를 들고 있으면 double-free. 또 old를 delete한 직후 다른 경로(브로드캐스트/콜백)가 그 포인터를 쓰면 UAF. 맵에서 빼지 않은 채(혹은 빼기 전에) delete하면 dangling 포인터가 맵에 남는다.
• 근본원인: raw 포인터 소유권이 불명확. "마지막 참조자가 해제" 규칙과 멱등 종료가 없음.

(E) 새 세션이 등록 전 누구도 모름 (분류: 정확성)

• 증상: 등록 직전에 들어온 또 다른 로그인은 이 새 세션을 킥 대상으로 인지 못 함. "예약(claim)" 단계가 없어 등록 순간까지 충돌을 막을 방법이 없다.

(F) OnSessionClosed가 무조건 erase+delete → 새 세션 오삭제 (분류: 정확성/수명관리)

• 증상: 옛 세션 S1이 킥당한 뒤 뒤늦게 자신의 종료 콜백 OnSessionClosed(S1)을 부르는데, 맵에는 이미 새 세션 S2가 들어있다. erase(s->accountId)는 키만 보고 지우므로 S2를 맵에서 날려버린다. 결과적으로 멀쩡한 S2가 온라인 목록에서 사라져 "유령"이 되고, stale 콜백이 잘못된 객체를 delete할 수도 있다.
• 근본원인: 제거 시 "지우려는 세션이 정말 현재 등록된 그 세션인지" 확인 안 함 (identity check 부재). 스테일 콜백(stale callback) 문제.

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수정안

핵심: shared_ptr 수명 + 단일 임계구역 원자 교체 + 비동기 인증(블로킹 제거) + identity 제거 + 멱등 Close

#include <unordered_map>
#include <mutex>
#include <memory>
#include <atomic>
#include <cstdint>

class Session : public std::enable_shared_from_this<Session> {
public:
    int64_t accountId;
    std::atomic<bool> alive{true};

    void SendKickNotice() { /* best-effort 통지 */ }
    void Disconnect() {
        bool expected = true;
        if (!alive.compare_exchange_strong(expected, false)) return;  // 멱등
        // 소켓 종료 등 ...
    }
};

class LoginManager {
    std::unordered_map<int64_t, std::shared_ptr<Session>> online_;
    std::mutex mtx_;

public:
    // 인증은 완료 콜백으로 이어받아 IO 스레드를 블로킹하지 않는다.
    // (여기서는 인증이 끝난 뒤 호출되는 부분만 보인다)
    std::shared_ptr<Session> OnAuthenticated(int64_t accountId) {
        auto newSession = std::make_shared<Session>();
        newSession->accountId = accountId;

        std::shared_ptr<Session> displaced;
        {
            // 조회+교체를 단일 임계 구역으로 묶어 원자화(TOCTOU 제거).
            std::lock_guard<std::mutex> lk(mtx_);
            auto it = online_.find(accountId);
            if (it != online_.end()) displaced = it->second;   // 밀려난 옛 세션
            online_[accountId] = newSession;                   // 한 번에 교체
        }

        // 밀려난 세션만 락 밖에서 킥(미지의 코드 호출을 락 밖으로).
        if (displaced && displaced != newSession) {
            displaced->Disconnect();        // 멱등 — 상태부터 죽인다
            displaced->SendKickNotice();    // best-effort
            // delete 없음: 마지막 shared_ptr 가 사라질 때 자동 해제 → double-free/UAF 차단
        }
        return newSession;
    }

    void OnSessionClosed(const std::shared_ptr<Session>& s) {
        std::lock_guard<std::mutex> lk(mtx_);
        auto it = online_.find(s->accountId);
        // identity check: 현재 등록된 게 정확히 이 세션일 때만 제거.
        if (it != online_.end() && it->second == s)
            online_.erase(it);   // S2 를 잘못 지우지 않음
        // delete 없음
    }
};

설명

• 단일 임계 구역: "기존 값 확인 + 교체"를 하나의 락 구간으로 묶어 TOCTOU 제거. 동시에 두 로그인이 와도 락 직렬화로 한 쪽이 먼저 등록하고 다른 쪽이 그것을 displaced로 회수 → 항상 마지막 하나만 남고 밀려난 세션이 정확히 킥된다. (계정당 정확히 1세션 불변식 유지, "둘 다 살아남음" 차단.)
• shared_ptr 수명 관리: raw delete 제거. 킥/콜백/맵이 각자 ref를 들고 마지막에 자동 해제 → double-free / UAF 원천 차단.
• 킥/통지는 임계 구역 밖으로 빼서 등록 원자성과 분리, 락 점유 시간 최소화.
• identity check 제거(it->second == s) 로 스테일 콜백이 새 세션을 지우는 (F) 문제 차단.
• Disconnect는 compare_exchange로 멱등이라 두 경로에서 불려도 안전.
• 블로킹 인증 제거: future.get() 대신 비동기 인증의 완료 continuation에서 OnAuthenticated를 호출.

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더 나은 설계

1) 계정 단위 직렬화(per-account lock / login gate)

• 계정 id를 해시해 N개의 락 슬롯으로 나누고, 같은 계정의 로그인은 같은 슬롯에서 직렬 처리. "예약→인증→정착" 전체를 한 트랜잭션으로 묶음.
• 트레이드오프: 전역 락보다 경합은 낮지만, 같은 계정 따닥 로그인은 어차피 직렬. 분산 서버라면 단일 노드 락으로는 부족(아래 2번).

2) 분산 환경: 중앙 권위(authoritative) 토큰

• 여러 게임 노드가 있으면 로그인 권한을 Redis 등 중앙 저장소의 원자 연산 (SET key val NX / Lua 스크립트 CAS)으로 발급. 새 로그인이 토큰 세대를 올리고, 옛 노드는 자신의 토큰이 더 이상 최신이 아님을 보고 자진 킥(fencing token).
• 트레이드오프: 네트워크 왕복 비용, Redis 가용성 의존. 하지만 멀티 노드에서 "둘 다 살아남음"을 막는 사실상 표준.

3) 세션 상태머신 + 세대 카운터

• Authenticating → Active → Kicked/Closed. 각 세션에 단조 증가 generation을 부여하고, 맵에는 "최신 generation"만 유효. 늦게 도착한 콜백/패킷은 generation 비교로 무시(스테일 처리 일반화).

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면접 포인트

1. "check-then-act가 왜 위험하고, 동시 로그인에서 어떤 형태로 나타나나?" → 조회와 등록 사이 락이 풀려 다른 스레드가 끼어듦(TOCTOU). 동시 로그인이면 둘 다 old=nullptr을 보고 서로를 킥하지 못해 중복 세션이 남는다. 해법은 조회+교체를 단일 임계 구역(또는 CAS/per-key lock)으로 묶는 것.
2. "raw 포인터 + delete로 세션을 정리하면 어떤 동시성 위험이 있나?" → 다른 스레드/콜백이 같은 포인터를 들고 있으면 double-free 또는 UAF. shared_ptr로 "마지막 참조자가 해제"하게 하고, 종료는 compare_exchange로 멱등화한다. 제거 시 identity check로 stale 콜백의 오삭제를 막는다.
3. "인증을 future.get()으로 블로킹하면? 단일 서버에선 막아도 멀티 노드면?" → 블로킹은 IO 스레드 풀을 고갈시키고 race 창을 넓힌다. 비동기 continuation으로 이어가야 한다. 멀티 노드 중복 접속은 로컬 락으론 못 막으므로 중앙 저장소의 원자 CAS로 fencing token을 발급하고 세대가 뒤처진 세션은 자진 종료.