Xenomai 커널 공간 프로그래밍에서 동기화는 여러 실시간 태스크들이 안정적으로 상호 작용할 수 있도록 필수적이다. 커널 공간에서 사용할 수 있는 동기화 원시 자료형에는 다음과 같은 것들이 있다.

스핀락(Spinlocks)

스핀락은 다중 프로세서 시스템에서 중요한 역할을 하는 동기화 메커니즘이다. 스핀락은 짧은 시간 동안만 점유되므로 프로세서가 락을 얻기 위해 대기하는 동안 무한 루프를 돌면서 캐시와 버스의 트래픽을 증가시킬 수 있다.

스핀락 사용 예제

spinlock_t lock;
spin_lock(&lock);
// 크리티컬 섹션 코드
spin_unlock(&lock);

시마포어(Semaphores)

시마포어는 커널 공간에서도 많이 사용되며, 명시적으로 태스크의 상태를 관리할 수 있는 유연한 동기화 도구이다. 시마포어는 카운팅 시마포어와 이진 시마포어로 나뉜다.

시마포어 사용 예제

struct semaphore sem;
sema_init(&sem, 1);
down(&sem);
// 크리티컬 섹션 코드
up(&sem);

뮤텍스(Mutexes)

뮤텍스는 상호 배제를 위한 또 다른 동기화 도구로, 주로 단일 리소스의 접근을 조정하는데 사용된다. 뮤텍스는 초기화하며, 락을 획득하고 해제하는 간단한 인터페이스를 제공한다.

뮤텍스 사용 예제

struct mutex my_mutex;
mutex_init(&my_mutex);
mutex_lock(&my_mutex);
// 크리티컬 섹션 코드
mutex_unlock(&my_mutex);

리더-라이터 락(Reader-Writer Locks)

리더-라이터 락은 다중 리더가 동시에 리소스에 접근할 수 있지만, 단일 라이터는 모든 리더와 라이터를 배제하고 독점적으로 리소스에 접근할 수 있도록 하는 락이다.

리더-라이터 락 사용 예제

rwlock_t rw_lock;
read_lock(&rw_lock);
// 리드 크리티컬 섹션 코드
read_unlock(&rw_lock);

write_lock(&rw_lock);
// 쓰기 크리티컬 섹션 코드
write_unlock(&rw_lock);

순서를 위한 바리어(Barriers)

바리어는 여러 태스크가 특정 지점에 도달했을 때 동기화될 수 있도록 하는 동기화 도구이다. 모든 참여자 태스크가 지정된 지점에 도달할 때까지 다른 태스크들은 대기하게 된다.

완성(Futures)

미래(future) 또는 완성은 결과 값이 아직 결정되지 않았을 때, 이를 기다리기 위한 동기화 방법이다. 이는 비동기 태스크가 완료되기를 기다리는 상황에 유용하다.

커널 공간에서의 조건 변수(Condition Variables)

커널 공간에서도 조건 변수를 사용할 수 있다. 조건 변수는 특정 조건이 발생할 때까지 하나 이상의 태스크를 차단하고, 해당 조건이 설정되면 차단을 해제하는 동기화 도구이다.

조건 변수 사용 예제

struct wait_queue_head_t my_queue;
init_waitqueue_head(&my_queue);

wait_event(my_queue, condition);
// 조건을 만족할 때까지 대기

wake_up(&my_queue);
// 조건을 만족하면 대기 중인 태스크들을 깨운다

커널 타이머(Timers)

커널 타이머는 일정 시간 동안 동작을 지연시키거나, 특정 시간이 경과한 후에 작업을 수행할 수 있게 해주는 메커니즘이다.

커널 타이머 사용 예제

struct timer_list my_timer;
init_timer(&my_timer);
my_timer.function = my_timer_callback;
my_timer.expires = jiffies + delay;
add_timer(&my_timer);

타이머 콜백 함수 예제

void my_timer_callback(unsigned long data) {
    // 타이머가 만료되었을 때 수행할 작업
}

작업 큐(Workqueues)

작업 큐는 커널 내에서 연기된 작업을 처리할 수 있는 메커니즘이다. 이를 통해 동기화 문제를 피하고, 시스템 응답성을 유지할 수 있다.

작업 큐 사용 예제

static void work_handler(struct work_struct *work);

DECLARE_WORK(my_work, work_handler);

schedule_work(&my_work);
// 작업을 스케줄링한다.

void work_handler(struct work_struct *work) {
    // 작업이 수행될 코드
}

완료 객체(Completions)

완료 객체는 하나의 태스크가 다른 태스크가 완료되기를 기다릴 수 있는 동기화 도구이다.

완료 객체 사용 예제

struct completion my_completion;

init_completion(&my_completion);
// 다른 태스크가 완료되기를 기다림
wait_for_completion(&my_completion);

// 다른 태스크에서 완료를 알림
complete(&my_completion);

원자적 변수(Atomic Variables)

원자적 변수는 원자성을 보장하는 변수이다. 이는 다중 스레드나 프로세서가 동일한 변수에 접근할 때 데이터의 일관성을 보장해준다.

원자적 변수 사용 예제

atomic_t my_atomic_var;
atomic_set(&my_atomic_var, 0);
atomic_inc(&my_atomic_var); // 증가
atomic_dec(&my_atomic_var); // 감소
int value = atomic_read(&my_atomic_var); // 값 읽기

커널 공간 동기화 메커니즘 요약

각각의 동기화 원시 자료형들은 특정 사용 사례에 최적화되어 있으며, 올바른 원시 자료형을 선택하는 것은 응용 프로그램의 성능과 안정성에 큰 영향을 미친다. 스핀락과 같은 빠른 락은 짧은 임계 구역에서 효율적이지만, 긴 대기 시간이 예상되는 경우 시마포어나 뮤텍스를 사용하는 것이 더 적합한다. 리더-라이터 락은 리드 작업이 많은 경우 효과적이며, 조건 변수와 작업 큐는 이벤트 기반의 동기화에 유용하다.