1261.45 실행자(Executor)와 콜백 그룹의 관계

1. 실행자의 정의와 아키텍처적 위상

ROS2에서 실행자(Executor)는 노드(Node)에 등록된 콜백(callback) 함수들의 스케줄링과 디스패치(dispatch)를 담당하는 핵심 런타임 구성요소이다. 토픽 구독 콜백, 서비스 요청 처리 콜백, 타이머 콜백, 액션 목표 수신 콜백, 액션 취소 요청 콜백 등 ROS2 통신 인프라에서 발생하는 모든 이벤트 기반 처리는 실행자를 통해 호출된다. 실행자는 DDS(Data Distribution Service) 미들웨어 계층과 사용자 애플리케이션 계층 사이에서 이벤트 루프(event loop)를 형성하며, 콜백 함수의 실행 순서, 동시성(concurrency), 자원 할당을 제어하는 추상화 계층(abstraction layer)으로 기능한다.

ROS1에서는 ros::spin() 또는 ros::spinOnce()라는 단일 전역 함수에 의해 전체 콜백이 순차적으로 처리되었다. 이러한 구조에서는 콜백 실행의 병렬성 제어, 우선순위 관리, 실행 정책의 분리가 구조적으로 불가능하였다. ROS2는 실행자라는 명시적 객체를 도입함으로써 콜백 스케줄링에 대한 세밀한 제어를 가능하게 하였으며, 이는 실시간 시스템(real-time system)에서의 결정론적(deterministic) 콜백 실행 요구를 충족하기 위한 설계적 결정이다.

2. 실행자의 내부 동작 원리

실행자는 내부적으로 대기 집합(wait set)을 관리한다. 대기 집합은 DDS 미들웨어의 dds::core::cond::WaitSet 개념에 대응하며, 구독자(subscription), 타이머(timer), 서비스 서버(service server), 액션 서버(action server), 클라이언트(client), 가드 조건(guard condition) 등의 엔티티 핸들이 등록된다. 실행자의 주 루프(main loop)는 다음의 절차를 반복적으로 수행한다.

1. 대기 집합에 등록된 모든 엔티티에 대한 준비 상태(readiness)를 확인한다.
2. 새로운 메시지가 도착하였거나 타이머가 만료된 등 준비 완료(ready) 상태의 엔티티를 식별한다.
3. 준비 완료된 엔티티에 연결된 콜백 함수를 콜백 그룹의 실행 정책에 따라 실행한다.
4. 위 과정을 비차단(non-blocking) 또는 차단(blocking) 방식으로 반복한다.

이 과정에서 실행자는 DDS 미들웨어의 조건 변수(condition variable) 및 대기 집합 메커니즘에 기반하여 동작하며, 능동적 폴링(active polling)을 최소화함으로써 CPU 자원을 효율적으로 활용한다. rcl(ROS Client Library) 계층의 rcl_wait() 함수가 운영체제 수준의 select(), poll(), 또는 epoll() 시스템 호출에 대응하여 이벤트 대기를 수행한다.

3. 실행자의 유형과 특성 비교

ROS2 rclcpp 라이브러리는 다음의 실행자 유형을 제공한다.

단일 스레드 실행자는 콜백 함수 간의 상호 배제(mutual exclusion)가 암묵적으로 보장되므로 동기화 기법의 적용이 불필요하지만, 하나의 콜백이 장시간 차단(blocking)될 경우 다른 모든 콜백의 실행이 지연된다는 구조적 한계가 존재한다. 멀티 스레드 실행자는 이러한 지연 문제를 완화하지만, 공유 자원에 대한 명시적 동기화 기법(뮤텍스, 조건 변수 등)의 적용이 필수적이다.

4. 콜백 그룹의 개념과 존재 의의

콜백 그룹(Callback Group)은 콜백 함수들의 동시 실행 정책을 정의하는 논리적 단위이다. 멀티 스레드 실행자 환경에서 콜백 그룹은 어떤 콜백들이 병렬로 실행될 수 있는지, 어떤 콜백들이 상호 배타적으로 실행되어야 하는지를 결정론적으로 지정하는 메커니즘이다. 단일 스레드 실행자에서는 모든 콜백이 본질적으로 순차 실행되므로 콜백 그룹의 실행 정책이 동작에 영향을 미치지 않는다.

콜백 그룹은 운영체제의 스레드 동기화 원시 객체(synchronization primitive)를 추상화한 상위 수준의 동시성 제어 기법이다. 개발자가 뮤텍스, 세마포어 등을 직접 관리하는 대신, 콜백 그룹의 유형을 선택함으로써 선언적(declarative) 방식으로 동시성 정책을 표현할 수 있다.

5. 콜백 그룹의 유형

ROS2는 다음의 두 가지 콜백 그룹 유형을 제공한다.

5.1 상호 배타적 콜백 그룹(Mutually Exclusive Callback Group)

MutuallyExclusiveCallbackGroup에 속하는 콜백들은 동시에 실행되지 않는다. 하나의 콜백이 실행 중인 동안 같은 그룹에 속하는 다른 콜백들은 대기 상태(waiting state)에 놓인다. 실행자는 내부적으로 해당 그룹에 대한 잠금(lock)을 획득한 후 콜백을 실행하며, 콜백 실행이 완료되면 잠금을 해제한다. 이는 암묵적 뮤텍스(implicit mutex)와 동등한 보호 효과를 제공하며, 공유 자원(shared resource)에 대한 접근을 직렬화(serialize)하는 데 적합하다.

노드를 생성할 때 명시적으로 콜백 그룹을 지정하지 않으면 기본 콜백 그룹(default callback group)이 사용되며, 기본 콜백 그룹의 유형은 상호 배타적이다.

5.2 재진입 콜백 그룹(Reentrant Callback Group)

ReentrantCallbackGroup에 속하는 콜백들은 동시에 병렬 실행이 허용된다. 동일한 콜백 함수의 복수 인스턴스가 서로 다른 스레드에서 동시에 실행될 수도 있다. 이 그룹을 사용할 때에는 개발자가 콜백 함수 내부에서 접근하는 모든 공유 자원에 대하여 명시적으로 스레드 안전성(thread safety)을 보장하여야 한다. 재진입 콜백 그룹은 독립적인 메시지 처리, 상태 비의존적(stateless) 연산, 높은 처리량(throughput)이 요구되는 경로에 적합하다.

6. 실행자와 콜백 그룹의 상호 작용 모델

실행자와 콜백 그룹의 계층적 관계는 다음의 구조로 표현된다.

Executor (MultiThreadedExecutor, thread_count=4)
├── Node A
│   ├── MutuallyExclusiveCallbackGroup (기본 그룹)
│   │   ├── Subscription Callback α
│   │   └── Timer Callback β
│   └── ReentrantCallbackGroup
│       ├── Subscription Callback γ
│       └── Service Server Callback δ
└── Node B
    ├── MutuallyExclusiveCallbackGroup (기본 그룹)
    │   ├── Subscription Callback ε
    │   └── Timer Callback ζ
    └── MutuallyExclusiveCallbackGroup (사용자 정의)
        └── Action Server Callback η

위 구조에서 콜백 실행의 동시성은 다음의 규칙에 의해 결정된다.

1. 같은 상호 배타적 그룹에 속하는 콜백 α와 β는 동시에 실행되지 않는다.
2. 같은 재진입 그룹에 속하는 콜백 γ와 δ는 동시에 병렬 실행이 가능하다.
3. 서로 다른 콜백 그룹에 속하는 콜백들(예: α와 γ, α와 ε)은 그룹 유형에 관계없이 동시 실행이 가능하다.
4. 서로 다른 노드의 서로 다른 그룹에 속하는 콜백들(예: β와 η)도 동시 실행이 가능하다.

이 규칙 체계를 통해 개발자는 공유 자원을 보호하면서도 독립적인 처리 경로의 병렬성을 극대화할 수 있다.

7. 콜백 그룹의 프로그래밍 인터페이스

C++(rclcpp)에서 콜백 그룹을 생성하고 구독자, 타이머, 서비스에 할당하는 방식은 다음과 같다.

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/string.hpp"

class BehaviorControlNode : public rclcpp::Node
{
public:
  BehaviorControlNode() : Node("behavior_control_node")
  {
    // 콜백 그룹 생성
    cb_group_exclusive_ = this->create_callback_group(
      rclcpp::CallbackGroupType::MutuallyExclusive);
    cb_group_reentrant_ = this->create_callback_group(
      rclcpp::CallbackGroupType::Reentrant);

    // 구독 옵션에 재진입 콜백 그룹 지정
    rclcpp::SubscriptionOptions sub_options;
    sub_options.callback_group = cb_group_reentrant_;

    sensor_sub_ = this->create_subscription<std_msgs::msg::String>(
      "sensor_data", 10,
      std::bind(&BehaviorControlNode::sensor_callback, this,
                std::placeholders::_1),
      sub_options);

    // 타이머에 상호 배타적 콜백 그룹 지정
    control_timer_ = this->create_wall_timer(
      std::chrono::milliseconds(100),
      std::bind(&BehaviorControlNode::control_loop_callback, this),
      cb_group_exclusive_);
  }

private:
  void sensor_callback(const std_msgs::msg::String::SharedPtr msg)
  {
    // 센서 데이터 처리 (병렬 실행 허용)
  }

  void control_loop_callback()
  {
    // 제어 루프 실행 (상호 배타적 보호)
  }

  rclcpp::CallbackGroup::SharedPtr cb_group_exclusive_;
  rclcpp::CallbackGroup::SharedPtr cb_group_reentrant_;
  rclcpp::Subscription<std_msgs::msg::String>::SharedPtr sensor_sub_;
  rclcpp::TimerBase::SharedPtr control_timer_;
};

Python(rclpy)에서의 콜백 그룹 설정은 다음과 같다.

import rclpy
from rclpy.node import Node
from rclpy.callback_groups import (
    MutuallyExclusiveCallbackGroup,
    ReentrantCallbackGroup
)
from std_msgs.msg import String

class BehaviorControlNode(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('behavior_control_node')

        self.exclusive_group = MutuallyExclusiveCallbackGroup()
        self.reentrant_group = ReentrantCallbackGroup()

        self.sensor_sub = self.create_subscription(
            String, 'sensor_data', self.sensor_callback, 10,
            callback_group=self.reentrant_group)

        self.control_timer = self.create_timer(
            0.1, self.control_loop_callback,
            callback_group=self.exclusive_group)

    def sensor_callback(self, msg):
        pass  # 센서 데이터 처리

    def control_loop_callback(self):
        pass  # 제어 루프 실행

8. 교착 상태 문제와 회피 전략

실행자와 콜백 그룹의 설계에서 가장 빈번하게 발생하는 결함은 교착 상태(deadlock)이다. 상호 배타적 콜백 그룹 내에서 동기적 서비스 클라이언트 호출을 수행하면, 서비스 응답을 처리하는 콜백이 같은 그룹의 잠금에 의해 실행되지 못하여 무한 대기 상태에 빠지게 된다. 이 문제의 발생 메커니즘은 다음과 같다.

1. 콜백 A가 상호 배타적 그룹 G의 잠금을 획득하고 실행을 시작한다.
2. 콜백 A 내부에서 동기적 서비스 호출 client->call(request)을 수행한다.
3. 서비스 응답이 도착하면 이를 처리하는 내부 콜백이 그룹 G에서 실행되어야 한다.
4. 그러나 그룹 G의 잠금은 콜백 A에 의해 이미 보유(held)되어 있으므로, 내부 콜백은 잠금 획득에 실패하여 대기한다.
5. 콜백 A는 서비스 응답을 기다리며 차단되고, 내부 콜백은 잠금 해제를 기다리므로 교착 상태가 형성된다.

이 문제를 회피하기 위한 전략은 다음과 같다.

9. 실행자와 노드 조합 패턴

하나의 실행자에 복수의 노드를 등록하여 단일 프로세스 내에서 여러 노드를 실행할 수 있다. 이를 컴포넌트 기반 구성(component composition)이라 한다.

rclcpp::executors::MultiThreadedExecutor executor(
  rclcpp::ExecutorOptions(), 4);  // 4개 스레드
auto sensor_node = std::make_shared<SensorProcessingNode>();
auto behavior_node = std::make_shared<BehaviorDecisionNode>();
auto actuator_node = std::make_shared<ActuatorCommandNode>();
executor.add_node(sensor_node);
executor.add_node(behavior_node);
executor.add_node(actuator_node);
executor.spin();

이 패턴은 프로세스 간 통신(IPC) 오버헤드를 제거하고, 동일 프로세스 내에서 인트라 프로세스 통신(intra-process communication) 및 제로 카피(zero-copy) 메시지 전달을 가능하게 하여 통신 지연을 최소화한다. 로봇 행동 제어 시스템에서는 센서 처리 노드, 행동 결정 노드, 액추에이터 명령 노드를 단일 실행자에 구성하여 제어 루프의 종단 간 지연(end-to-end latency)을 줄이는 전략이 널리 적용된다.

10. 콜백 그룹 설계 원칙

콜백 그룹의 설계는 시스템의 동시성과 안전성 사이의 균형을 결정한다. 다음의 원칙을 준수하는 것이 권장된다.

11. 응답 시간 분석과 실시간 확장

Casini 등(2019)은 ROS2 처리 체인(processing chain)의 응답 시간 분석(response-time analysis)을 수행한 바 있다. 이 연구에서는 실행자의 스케줄링 정책과 콜백 그룹의 상호 작용이 종단 간 지연에 미치는 영향을 수학적으로 모델링하였다. 콜백 \tau_i의 최악 응답 시간(worst-case response time) R_i는 다음과 같이 표현된다.

R_i = C_i + \sum_{j \in \text{hp}(i)} \left\lceil \frac{R_i}{T_j} \right\rceil C_j + B_i

여기서 C_i는 콜백 \tau_i의 최악 실행 시간(worst-case execution time), T_j는 고우선순위 콜백 \tau_j의 주기, \text{hp}(i)는 \tau_i보다 높은 우선순위를 가진 콜백의 집합, B_i는 저우선순위 콜백에 의한 차단 시간(blocking time)이다. 상호 배타적 콜백 그룹은 B_i 항을 증가시키며, 재진입 콜백 그룹은 B_i를 0으로 만들지만 공유 자원에 대한 외부 동기화 비용을 발생시킨다.

12. 참고 문헌

• Open Robotics, “ROS 2 Executors,” ROS 2 Documentation, https://docs.ros.org/en/rolling/Concepts/Intermediate/About-Executors.html.
• Open Robotics, “Using Callback Groups,” ROS 2 Tutorials, https://docs.ros.org/en/rolling/How-To-Guides/Using-callback-groups.html.
• S. Macenski, T. Foote, B. Gerkey, C. Lalancette, W. Woodall, “Robot Operating System 2: Design, architecture, and uses in the wild,” Science Robotics, vol. 7, no. 66, eabm6074, 2022.
• D. Casini, T. Blaß, I. Lütkebohle, B. B. Brandenburg, “Response-Time Analysis of ROS 2 Processing Chains Under Reservation-Based Scheduling,” in Proceedings of the 31st Euromicro Conference on Real-Time Systems (ECRTS), 2019.
• Y. Jiang, H. Yun, “RT-ROS2: Real-Time ROS2 Infrastructure,” IEEE Access, vol. 10, 2022.