다중 CPU 시스템에서의 동기화는 실시간 애플리케이션의 성능과 신뢰성에 매우 중요한 요소이다. Xenomai는 이러한 다중 CPU 환경에서 효율적인 동기화를 제공하기 위해 다양한 메커니즘을 지원한다.

스핀락 (Spinlock)

스핀락은 짧은 시간 동안 공유 리소스를 보호하는 데 사용된다. 스핀이란 용어는 스레드가 잠금이 풀리기를 기다리면서 바쁜 대기(busy-waiting)를 하는 것을 의미한다. 스핀락은 다음과 같은 상황에서 유용하다:

Xenomai에서 스핀락을 사용하는 예제는 다음과 같다:

rt_spinlock_t lock;

void init_lock(void) {
    rt_spinlock_create(&lock);
}

void critical_section(void) {
    rt_spin_lock(&lock);
    // 공유 리소스 접근
    rt_spin_unlock(&lock);
}

void cleanup_lock(void) {
    rt_spinlock_delete(&lock);
}

뮤텍스 (Mutex)

뮤텍스는 보다 장시간 동안 공유 리소스를 보호하는 데 사용된다. 뮤텍스를 사용하면 대기 중인 스레드가 다른 유용한 작업을 수행할 수 있다. Xenomai에서 뮤텍스를 사용하는 것은 다음과 같다:

RT_MUTEX mutex;

void init_mutex(void) {
    rt_mutex_create(&mutex, "MyMutex");
}

void critical_section(void) {
    rt_mutex_acquire(&mutex, TM_INFINITE);
    // 공유 리소스 접근
    rt_mutex_release(&mutex);
}

void cleanup_mutex(void) {
    rt_mutex_delete(&mutex);
}

세마포어 (Semaphore)

세마포어는 여러 스레드가 동시에 접근할 수 있는 리소스의 수를 제한하는 데 사용된다. 카운팅 세마포어와 이진 세마포어 두 종류가 있다. 카운팅 세마포어는 count 값을 가지며, 특정 리소스의 개수를 나타낸다. 이진 세마포어는 0 또는 1의 값을 가지며, 뮤텍스와 유사하게 동작한다.

Xenomai에서 카운팅 세마포어를 사용하는 예제는 다음과 같다:

RT_SEM sem;

void init_semaphore(void) {
    rt_sem_create(&sem, "MySemaphore", initial_count, S_FIFO);
}

void acquire_resource(void) {
    rt_sem_p(&sem, TM_INFINITE);
    // 리소스 접근
    // 예: 다른 스레드와 공유되는 버퍼에 데이터 쓰기
}

void release_resource(void) {
    rt_sem_v(&sem);
}

void cleanup_semaphore(void) {
    rt_sem_delete(&sem);
}

이벤트 (Event)

이벤트는 특정 조건이 만족될 때까지 스레드가 대기할 수 있도록 한다. 이벤트는 여러 스레드가 설정(set)하고 대기(wait)할 수 있는 비트를 나타낸다.

Xenomai에서 이벤트를 사용하는 예제는 다음과 같다:

RT_EVENT event;

void init_event(void) {
    rt_event_create(&event, "MyEvent", 0, EV_FIFO);
}

void set_event(void) {
    rt_event_signal(&event, event_mask);
}

void wait_event(void) {
    rt_event_wait(&event, event_mask, &matched_mask, TM_INFINITE);
    // 이벤트 처리
}

void cleanup_event(void) {
    rt_event_delete(&event);
}

메시지 큐 (Message Queue)

메시지 큐는 스레드 간에 데이터를 전송하는 데 사용된다. 메시지 큐는 FIFO 방식으로 동작하며, 메시지를 주고받는 동작을 통해 동기화를 제공한다.

Xenomai에서 메시지 큐를 사용하는 예제는 다음과 같다:

RT_QUEUE queue;
void* msg_pool;

void init_queue(void) {
    rt_queue_create(&queue, "MyQueue", msg_pool_size, msg_size, Q_PRIO);
}

void send_message(void *msg, size_t size) {
    rt_queue_send(&queue, msg, size, Q_NORMAL);
}

void receive_message(void *msg, size_t size) {
    rt_queue_receive(&queue, msg, size, TM_INFINITE);
}

void cleanup_queue(void) {
    rt_queue_delete(&queue);
}

메일박스 (Mailbox)

메일박스는 고정된 크기의 메시지를 주고받는 데 사용되며, 메시지 단위로 동기화를 제공한다. 메일박스는 메시지의 크기와 개수를 명시하여 생성할 수 있다.

Xenomai에서 메일박스를 사용하는 예제는 다음과 같다:

RT_MAILBOX mailbox;
char mailbox_buffer[10 * sizeof(message_t)];

void init_mailbox(void) {
    rt_mbx_create(&mailbox, "MyMailbox", sizeof(mailbox_buffer));
}

void send_message(void *msg) {
    rt_mbx_send(&mailbox, msg, sizeof(message_t));
}

void receive_message(void *msg) {
    rt_mbx_receive(&mailbox, msg, sizeof(message_t), TM_INFINITE);
}

void cleanup_mailbox(void) {
    rt_mbx_delete(&mailbox);
}

상태 플래그 (State Flags)

상태 플래그는 여러 스레드가 특정 조건의 변화를 감시하고, 특정 조건이 만족되었을 때 이를 처리할 수 있도록 한다. 각 상태 플래그는 비트 마스크로 관리되며, 특정 비트 패턴을 설정할 수 있다.

Xenomai에서 상태 플래그를 사용하는 예제는 다음과 같다:

RT_TASK_FLAGS flags;

void init_flags(void) {
    rt_task_flags_init(&flags, 0);
}

void set_flag(unsigned long mask) {
    rt_task_flags_set(&flags, mask, NULL);
}

void wait_flag(unsigned long mask) {
    rt_task_flags_wait(&flags, mask, TM_INFINITE, NULL);
}

void cleanup_flags(void) {
    rt_task_flags_destroy(&flags);
}

조건 변수 (Condition Variable)

조건 변수는 뮤텍스와 함께 사용되어 특정 조건이 발생할 때까지 스레드를 대기시키는 데 사용된다. Xenomai는 POSIX 스타일의 조건 변수를 지원하여, 스레드가 조건이 충족될 때까지 대기하도록 할 수 있다.

Xenomai에서 조건 변수를 사용하는 예제는 다음과 같다:

RT_COND cond;
RT_MUTEX mutex;

void init_cond_variable(void) {
    rt_cond_create(&cond, "MyCondVar");
    rt_mutex_create(&mutex, "MyMutex");
}

void wait_for_condition(void) {
    rt_mutex_acquire(&mutex, TM_INFINITE);
    rt_cond_wait(&cond, &mutex, TM_INFINITE);
    rt_mutex_release(&mutex);
}

void signal_condition(void) {
    rt_mutex_acquire(&mutex, TM_INFINITE);
    rt_cond_signal(&cond);
    rt_mutex_release(&mutex);
}

void cleanup_cond_variable(void) {
    rt_cond_delete(&cond);
    rt_mutex_delete(&mutex);
}

다중 CPU 시스템의 실시간 애플리케이션에서 동기화 메커니즘을 올바르게 사용하는 것은 매우 중요하다. Xenomai는 스핀락, 뮤텍스, 세마포어, 이벤트, 메시지 큐, 메일박스, 상태 플래그, 조건 변수와 같은 다양한 동기화 메커니즘을 제공하여 이러한 요구사항을 충족시킨다. 각 메커니즘은 고유의 특성과 사용 사례를 가지고 있으므로, 특정 상황에 가장 적합한 것을 선택하여 사용해야 한다.

이렇게 명확히 이해하고 적절히 사용하는 것이 실시간 애플리케이션의 성능과 신뢰성을 보장하는 중요한 요소가 된다.