스레드에 안전한 명령 처리 루프 구현

스레드 간 안전한 명령 처리는 멀티스레드 환경에서 중요하다. CommandProcessLoop 클래스를 사용하면 여러 스레드에서 동시에 명령을 처리하고 대기열을 관리할 수 있다. 이 글에서는 CommandProcessLoop 클래스를 활용하여 스레드 안전한 명령 처리 루프를 구현하는 방법에 대해 생각해본다.

CommandProcessLoop 클래스 개요

CommandProcessLoop 클래스는 다음과 같은 주요 구성 요소로 구성된다.

• 대기열: 명령을 보관하는 FIFO(First-In-First-Out) 형태의 자료구조
• 스레드: 명령을 처리하는 데 사용되는 스레드
• 동기화 메커니즘: 대기열의 동시 접근을 제어하기 위해 사용되는 동기화 메커니즘

사용 사례

센서 데이터 수집 예제

CommandProcessLoop 클래스는 센서 데이터 수집과 같은 다양한 사용 사례에 유용하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 여러 개의 센서에서 데이터를 수집하고 해당 데이터를 처리하는 경우 CommandProcessLoop를 사용하여 비동기적으로 데이터를 수집하고 처리할 수 있다. 이를 통해 데이터 수집 작업과 처리 작업이 분리되어 시스템의 응답성을 향상시킬 수 있다.

구현

CommandProcessLoop 클래스 설계 및 구현

#include <iostream>
#include <thread>
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

// 센서 데이터 수집 명령 클래스
class SensorDataCommand {
public:
    void execute() {
        // 센서 데이터 수집 및 처리 작업 수행
        std::cout << "Sensor data collection and processing executed." << std::endl;
    }
};

// 스레드 간 안전한 명령 처리 루프 클래스
template <typename T>
class CommandProcessLoop {
    std::thread _thread;
    std::queue<std::shared_ptr<T>> _queue;
    std::condition_variable _condition_variable;
    std::mutex _mutex;
    bool _processing = true;

public:
    CommandProcessLoop() {
        _thread = std::thread(&CommandProcessLoop::processRequests, this);
    }

    ~CommandProcessLoop() {
        _processing = false;
        _condition_variable.notify_all();
        _thread.join();
    }

    void request(std::shared_ptr<T> command) {
        {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(_mutex);
            _queue.push(command);
        }
        _condition_variable.notify_all();
    }

private:
    void processRequests() {
        while (_processing) {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(_mutex);
            _condition_variable.wait(lock, [&]() { 
              return !_queue.empty() || !_processing; });

            if (!_processing) break;

            std::shared_ptr<T> command = _queue.front();
            _queue.pop();
            lock.unlock();

            command->execute();
        }
    }
};

int main() {
    // 스레드 간 안전한 명령 처리 루프 객체 생성
    CommandProcessLoop<SensorDataCommand> loop;

    // 명령을 대기열에 추가
    auto command1 = std::make_shared<SensorDataCommand>();
    loop.request(command1);

    // 추가적인 명령을 대기열에 추가
    auto command2 = std::make_shared<SensorDataCommand>();
    loop.request(command2);

    // 잠시 대기
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));

    // 명령 처리 루프 종료 (Graceful Shutdown)
    std::cout << "Shutting down the command processing loop." << std::endl;

    return 0;
}

위의 예제 코드는 구현 섹션에서 설명한 내용을 바탕으로 스레드 간 안전한 명령 처리 루프(CommandProcessLoop) 클래스를 사용하여 센서 데이터 수집 명령을 처리하는 예시이다. SensorDataCommand 클래스는 센서 데이터 수집 작업을 수행하는 execute() 메서드를 포함하고 있다. CommandProcessLoop 클래스는 명령을 대기열에 추가하고 스레드를 사용하여 명령을 처리한다.

Graceful Shutdown 구현

Graceful Shutdown은 애플리케이션을 정상적으로 종료하기 위해 명령 처리 루프를 종료하는 기능이다. CommandProcessLoop 클래스는 Graceful Shutdown을 위해 플래그를 사용하여 명령 처리 루프를 제어한다. Graceful Shutdown이 요청되면 대기열에 남아있는 모든 명령을 처리한 뒤 명령 처리 루프를 종료한다.

class SensorDataCommand : public Command {
public:
    void execute() override {
        // 센서 데이터 수집 및 처리 작업 수행
    }
};

// CommandProcessLoop 클래스에 Graceful Shutdown 기능 추가
template <typename T>
class CommandProcessLoop {
    // 멤버 변수 및 동기화 메커니즘 정의

public:
    CommandProcessLoop();
    ~CommandProcessLoop();
    void request(std::shared_ptr<T> command);
    void shutdown(); // Graceful Shutdown 메서드 추가

private:
    // 내부 메서드 및 스레드 처리 정의
};

template <typename T>
void CommandProcessLoop<T>::shutdown() {
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(_mutex);
        _processing = false;
    }
    _condition_variable.notify_all();
    _thread.join();
}

// 사용 예시
int main() {
    CommandProcessLoop<SensorDataCommand> loop;

    // 명령을 대기열에 추가
    auto command1 = std::make_shared<SensorDataCommand>();
    loop.request(command1);

    // Graceful Shutdown 요청
    loop.shutdown();

    return 0;
}

Handling Stalled or Slow Commands

명령 처리 중에는 일부 명령이 지연되거나 느릴 수 있다. CommandProcessLoop 클래스는 이러한 상황에 대응하기 위해 타임아웃(timeout) 메커니즘을 사용하여 명령의 처리 시간을 제한할 수 있다. 또한, 명령 처리 중에 오류가 발생하는 경우에도 Graceful Shutdown을 통해 예외 상황을 처리할 수 있다.

class SensorDataCommand : public Command {
public:
    void execute() override {
        // 센서 데이터 수집 및 처리 작업 수행
    }
};

template <typename T>
class CommandProcessLoop {
    // 멤버 변수 및 동기화 메커니즘 정의

public:
    CommandProcessLoop();
    ~CommandProcessLoop();
    void request(std::shared_ptr<T> command);
    void setTimeout(std::chrono::milliseconds timeout); // 타임아웃 설정 메서드 추가

private:
    // 내부 메서드 및 스레드 처리 정의
};

template <typename T>
void CommandProcessLoop<T>::setTimeout(std::chrono::milliseconds timeout) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(_mutex);
    _timeout = timeout;
}

template <typename T>
void CommandProcessLoop<T>::processRequests() {
    while (_processing) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(_mutex);
        _condition_variable.wait_for(lock, _timeout, [&]() { 
            return !_queue.empty() || !_processing; });

        if (!_processing) break;
        
        if (_queue.empty()) {
            // 대기열이 비어있는 경우 처리할 작업이 없음을 처리
            continue;
        }

        // 명령 처리 로직
        std::shared_ptr<T> command = _queue.front();
        _queue.pop();
        lock.unlock();

        command->execute();
    }
}

// 사용 예시
int main() {
    CommandProcessLoop<SensorDataCommand> loop;
    
    // 타임아웃 설정 (예: 500ms)
    loop.setTimeout(std::chrono::milliseconds(500));

    // 명령을 대기열에 추가
    auto command1 = std::make_shared<SensorDataCommand>();
    loop.request(command1);

    return 0;
}

주의 사항 및 고려 사항

스레드 안전한 명령 처리를 구현할 때에는 몇 가지 주의 사항과 고려 사항이 있다. 예를 들어, 대기열에 너무 많은 명령이 쌓이는 경우 메모리 부족 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 대기열의 크기를 적절히 설정하고, 명령 처리 속도와 대기열의 상태를 모니터링하는 등의 관리가 필요하다.

확장 가능성

CommandProcessLoop 클래스는 다양한 확장 가능성을 가지고 있다. 명령을 취소하거나 삭제하는 기능을 추가하거나, 명령 처리 완료 후 이벤트를 통지하는 기능을 추가하는 등의 확장을 생각해볼 수 있다. 또한, 스레드를 여러 개 사용하여 명령을 동시에 처리하는 기능을 추가하는 것도 가능할 것이다.

마무리

스레드 간 안전한 명령 처리는 멀티스레드 환경에서 중요한 요소이다. CommandProcessLoop 클래스를 사용하면 명령 처리를 비동기적으로 관리하고 스레드 안전성을 보장할 수 있다. 이를 통해 애플리케이션의 성능과 응답성을 향상시킬 수 있다.