8. 동시성 및 실시간 프로그래밍

Ada의 특징 중 하나는 동시성, 즉 병렬 처리를 위한 내장 지원입니다. 외부 라이브러리(예: C의 pthreads)나 플랫폼별 API에 의존하는 많은 언어와 달리, Ada의 동시성 기능은 언어 명세의 필수적인 부분입니다. 이는 이식성, 안전성, 정확성에 영향을 미칩니다. 동시성 Ada 프로그램은 작은 베어-메탈 임베디드 시스템에서부터 멀티코어 서버에 이르기까지 호환되는 컴파일러가 있는 모든 플랫폼으로 이식 가능하며, 동시성 의미론은 일관성이 보장됩니다. 컴파일러는 동시성 구조를 인지하고 있어 라이브러리 기반 접근 방식으로는 불가능한 검사와 최적화를 수행할 수 있습니다.

Ada는 표현력, 성능, 형식적 분석 가능성 사이의 트레이드오프 공간에서 서로 다른 지점에 적합한 다양한 도구를 제공하는 동시성 모델의 스펙트럼을 제공합니다.

8.1 태스킹 모델

Ada에서 동시성의 기본 단위는 task입니다. 태스크는 프로그램의 다른 태스크와 동시에 실행되는 독립적인 제어 스레드입니다. 패키지나 서브프로그램처럼, 태스크는 두 부분으로 정의됩니다: 공개 인터페이스를 정의하는 태스크 명세와 실행 코드를 포함하는 태스크 본체입니다.

태스크는 자동으로 활성화됩니다. 프로그램 실행이 태스크가 선언된 범위에 진입하면, 태스크는 자신을 선언한 코드(마스터)와 병렬로 실행을 시작합니다. 범위(예: 서브프로그램 또는 블록)는 그 안에 선언된 모든 태스크가 실행을 완료할 때까지 종료되지 않습니다. 이는 간단하고 견고한 형태의 동기화를 제공합니다.

with Ada.Text_IO;

procedure demonstrate_tasking is
  task T; -- 태스크 명세 (여기에는 공개 인터페이스 없음)

  task body T is -- 태스크 구현
  begin
    for i in 1 .. 5 loop
      Ada.Text_IO.put_line ("Task T is running...");
    end loop;
  end T;

begin -- 주 프로시저 실행 시작
  Ada.Text_IO.put_line ("Main procedure is running.");
  -- 주 프로시저는 이제 태스크 T가 종료될 때까지 여기서 대기함
end demonstrate_tasking;

Ada는 또한 태스크 형식을 지원하여, 단일 템플릿에서 여러 태스크를 선언할 수 있게 합니다. 이는 클래스에서 여러 객체를 생성하는 것과 유사합니다. 예를 들어, 작업자 태스크의 배열을 만드는 데 유용합니다.

8.2 동기화 및 통신: 랑데부

Ada에서 태스크 간의 직접적이고 동기적인 통신 및 동기화를 위한 원래 메커니즘은 랑데부(rendezvous)입니다. 이것은 클라이언트-서버 스타일 상호작용을 위한 모델입니다.

랑데부는 두 가지 구조를 기반으로 합니다:

• entry: 엔트리는 태스크의 명세에 선언되며, 프로시저와 유사하게 공개적으로 호출 가능한 진입점 역할을 합니다. 상호작용을 위한 인터페이스를 정의합니다.

• accept: accept 문은 태스크의 본체에 위치합니다. 태스크의 실행이 accept 문에 도달하면, 다른 태스크가 해당 entry를 호출할 때까지 대기합니다.

클라이언트 태스크가 엔트리를 호출하고 서버 태스크가 일치하는 accept 문에 있을 때, 두 태스크는 랑데부에서 동기화됩니다. 클라이언트 태스크는 서버 태스크가 accept 문의 do ... end 블록 내의 코드를 실행하는 동안 차단됩니다. 이 블록은 엔트리의 매개변수를 통해 데이터를 교환하는 데 사용될 수 있습니다. 서버가 accept 블록을 완료하면 랑데부가 끝나고, 두 태스크는 독립적으로 실행을 계속합니다.

task Server is
  entry request_data (value : out Integer);
end Server;

task body Server is
  current_value : Integer := 0;
begin
  loop
    current_value := current_value + 1;
    accept request_data (value : out Integer) do
      value := current_value; -- 이것은 랑데부 중에 발생함
    end request_data;
  end loop;
end Server;

-- 클라이언트 태스크에서:
declare
  my_data : Integer;
begin
  Server.request_data (my_data); -- 클라이언트는 엔트리를 호출하고, 랑데부가 완료될 때까지 차단됨
end;

더 복잡한 상황을 처리하기 위해, 태스크는 select 문을 사용하여 여러 엔트리에 대한 호출을 동시에 기다리거나, 특정 기간 내에 호출이 도착하지 않으면 시간 초과(또는 delay)하거나, 즉시 랑데부가 불가능할 경우 대안적인 조치(else)를 취할 수 있습니다.

8.3 공유 데이터를 위한 보호 객체

랑데부는 공유 데이터 접근을 관리하는 일반적인 문제에 비효율적일 수 있지만, Ada 95는 protected 형식을 도입했습니다. 보호 객체(protected object)는 개인 데이터를 캡슐화하고 이에 대한 상호 배타적인 접근을 보장하는 수동적인 데이터 구조입니다. 이는 임계 구역 문제에 대한 직접적이고 효율적인 해결책입니다.

보호 객체는 세 가지 종류의 연산을 제공합니다:

• 프로시저: 개인 데이터에 대한 배타적인 읽기-쓰기 접근을 제공합니다. 언어 런타임은 주어진 보호 객체의 프로시저를 한 번에 하나의 태스크만 실행할 수 있도록 보장합니다.

• 함수: 개인 데이터에 대한 공유 읽기 전용 접근을 제공합니다. 여러 태스크가 동일한 보호 객체의 함수를 동시에 실행할 수 있습니다.

• 엔트리: 태스크 엔트리와 유사하지만, 불리언 베리어(barrier) 조건이 있습니다. 보호 엔트리를 호출하는 태스크는 엔트리의 베리어가 참으로 평가될 때까지 대기열에 추가되고 차단됩니다. 접근은 여전히 상호 배타적입니다.

protected type Shared_Counter is
  procedure increment;
  function get_value return Integer;
private
  value : Integer := 0;
end Shared_Counter;

protected body Shared_Counter is
  procedure increment is
  begin
    value := value + 1; -- 배타적 접근 보장
  end increment;

  function get_value return Integer is
  begin
    return value; -- 공유 읽기 전용 접근
  end get_value;
end Shared_Counter;

보호 객체를 사용하면 프로그래머가 데이터와 연산을 선언하고, 컴파일러와 런타임 시스템이 기본 잠금 메커니즘을 자동으로 처리합니다. 이는 경쟁 조건과 교착 상태를 구조적으로 방지하여, 동시성 프로그래밍을 더 안전하고 간단하게 만듭니다.

8.4 Ravenscar 프로파일

안전이 중요한 하드 실시간 시스템의 경우, Ada 동시성 기능의 전체 집합은 타이밍 동작과 스케줄링 가능성을 형식적으로 분석하기에 너무 복잡할 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 Ravenscar 프로파일(Ravenscar Profile)이 개발되어 Ada 2005에서 표준화되었습니다.

Ravenscar 프로파일은 실시간 프로그래밍에 충분히 강력하면서도 형식적 정적 분석에 적합할 만큼 간단한, 선택된 Ada 태스킹 기능의 하위 집합입니다. 그 제한 사항은 일반적으로 다음을 포함합니다:

• 동적 생성이나 종료가 없는 고정된 수의 태스크.
• 일반적으로 보호 객체로 제한되는 단순화된 태스크 통신 모델.
• else 부분이 있는 복잡한 랑데부나 select 문 없음.
• 단순하고 예측 가능한 스케줄링 정책.

이 프로파일을 준수함으로써, 개발자는 교착 상태의 부재 및 하드 데드라인 충족과 같은 속성을 증명할 수 있는 동시성 시스템을 구축할 수 있습니다. 이는 항공 전자 공학의 DO-178C와 같은 안전 표준에 대해 Ada 소프트웨어를 인증하는 것을 가능하게 합니다.