이 글은 MSDN 글, "Solving The Dining Philosophers Problem With Asynchronous Agents"를 참고하여 작성되었습니다.

Asynchronous Agents Library로 Dining Philosophers 문제 해결하기 - 1
Asynchronous Agents Library로 Dining Philosophers 문제 해결하기 - 2

오래 기다리셨습니다; 그간 일이 바빠서;; 어쨌든 지난번에 Concurrecy::agent 에서 상속받은 Philosopher 클래스를 살펴봤었죠. 아래 두 함수만 제외하고 말입니다.

자 먼저 젓가락을 집는 함수입니다. 젓가락 한쌍을 동시에 집어야지 하나만이라도 먼저 집으려고 하다간 서로 젓가락 하나씩 잡고 기다리는 데드락 상황이 발생할 수 있습니다. 이를 위해 쓰이는 것이 지난 회에 잠깐 언급했든 join 메시지 블록입니다. 그 중에서도 non_greedy 버전을 사용해야 합니다. non_greedy 버전은 명시된 타겟을 모두 얻을 수 있을 때에만 실제 획득을 시도합니다. gready 버전을 사용하면 전술한 것처럼 데드락이 발생할 수 있습니다.

   73     std::vector<Chopstick*> PickupChopsticks()

   74     {

   75         //join 생성

   76         Concurrency::join<Chopstick*,Concurrency::non_greedy> j(2);

   77         m_LeftChopstickProvider->link_target(&j);

   78         m_RightChopstickProvider->link_target(&j);

   79 

   80         //젓가락 한쌍을 집습니다.

   81         return Concurrency::receive (j);

   82     } 


젓가락을 내려놓은 것은 간단합니다. 비동기 메시지 전송 함수인 Concurrency::asend()를 사용하여 젓가락이 이용가능함을 알리면 끝입니다.

   83     void PutDownChopsticks(std::vector<Chopstick*>& v)

   84     {

   85         Concurrency::asend(m_LeftChopstickProvider,v[0]);

   86         Concurrency::asend(m_RightChopstickProvider,v[1]);

   87     }


마지막으로 철학자들과 젓가락, 젓가락제공자를 가지고 이들 모두를 셋업하는 역할을 하는 Table 클래스입니다. 주석을 참고하시면 쉽게 이해하실 수 있을 겁니다.

  100 template<class PhilosopherList>

  101 class Table

  102 {

  103     PhilosopherList & m_Philosophers;

  104     std::vector<ChopstickProvider*> m_ChopstickProviders;

  105     std::vector<Chopstick*> m_Chopsticks;

  106 

  107     //이 생성자는 Table 클래서에서 유일한 public 메소드로 vector 변수들을 초기화하고 각 철학자에게 젓가락제공자를 할당합니다:

  108 public:

  109     Table(PhilosopherList& philosophers): m_Philosophers(philosophers)

  110     {

  111         //젓가락 및 젓가락제공자 vector를 채웁니다

  112         for(size_t i = 0; i < m_Philosophers.size();++i)

  113         {

  114             m_ChopstickProviders.push_back(new ChopstickProvider());

  115             m_Chopsticks.push_back(new Chopstick("chopstick"));

  116             //젓가락제공자에 젓가락을 놓습니다

  117             send(m_ChopstickProviders[i],m_Chopsticks[i]);

  118         }

  119         //철학자들을 식탁 자리에 앉힙니다

  120         for(size_t leftIndex = 0; leftIndex < m_Philosophers.size();++leftIndex)

  121         {

  122             //rightIndex 계산

  123             size_t rightIndex = (leftIndex+1)% m_Philosophers.size();

  124 

  125             //왼쪽,오른쪽 제공자를 해당 철학자에 부여합니다

  126             Concurrency::asend(& m_Philosophers[leftIndex].LeftChopstickProviderBuffer,

  127                 m_ChopstickProviders[leftIndex]);

  128             Concurrency::asend(& m_Philosophers[leftIndex].RightChopstickProviderBuffer,

  129                 m_ChopstickProviders[rightIndex]);

  130         }

  131     }

  132     ~Table(){

  133         m_ChopstickProviders.clear();

  134         m_Chopsticks.clear();

  135     }

  136 

  137 };


드디어 대망의 main() 함수입니다. 상태표시를 위한 call 블록과 C++0x 람다의 사용 이외에는, 전술할 클래스들을 사용하고 있을 뿐입니다.

  206 int main()

  207 {

  208     //tr1 array를 사용해 철학자들을 생성합니다

  209     std::tr1::array<Philosopher,5> philosophers = {"Socrates", "Descartes", "Nietzche", "Sartre", "Amdahl"};

  210     Table<std::tr1::array<Philosopher,5>> Table(philosophers);

  211     //상태표시에 이용할 call 블록들의 목록을 생성합니다

  212     std::vector<Concurrency::call<PhilosopherState>*> displays;

  213     //철학자 에이전트를 구동하고 상태표시 항목을 생성합니다

  214     std::for_each(philosophers.begin(),philosophers.end(),[&displays](Philosopher& cur)

  215     {

  216         //상태표시용 call 블록을 하나 만듭니다

  217         Concurrency::call<PhilosopherState>* consoleDisplayBlock = new Concurrency::call<PhilosopherState>([&](PhilosopherState in){

  218             //cout은 각 출력 사이의 스레드안정성을 보장하지 않습니다

  219             if(in == Eating)

  220                 std::cout << cur.m_Name << " is eating\n";

  221             else

  222                 std::cout << cur.m_Name << " is  thinking\n";

  223         });

  224         //상태표시 블록을 연결하고 벡터에 저장해둡니다

  225         cur.CurrentState.link_target(consoleDisplayBlock);

  226         displays.push_back(consoleDisplayBlock);

  227         //그리고 에이전트를 구동합니다

  228         cur.start();

  229     });

  230     //모두 완료되기를 대기

  231     std::for_each(philosophers.begin(),philosophers.end(),[](Philosopher& cur)

  232     {

  233         cur.wait(&cur);

  234     });

  235 

  236     displays.clear();

  237 };


이상을 실행하면 다음과 유사한 결과를 확인하실 수 있습니다.


주석에도 나와있듯이 스레드에 안전하지 않은 cout 출력으로 가끔 상태 메시지가 섞여였음을 확인할 수 있습니다. 그것 이외에는 철학자들이 사이좋게 식사를 하고 있음을 알 수 있습니다.

이렇듯 AAL을 사용하면 저수준의 스레드 함수나 동기화 개체들을 직접 다루지 않고도 쉽게 병렬 수행 작업을 작성할 수 있습니다. 병렬화에 고민하지 않고, 해당 응용프로그램의 도메인 문제에만 집중할 수 있는 것이죠.


이상입니다. 이제 새로운 로고와 함께 VS2010의 베타2도 나왔으니, 새로운 주제로 다시 찾아뵙지요. ^^
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Asynchronous Agents Library로 Dining Philosophers 문제 해결하기 - 1

자, 이제 본격적으로 코드를 살펴보기 전에 메시지 블록이 무엇인지 먼저 짚고 넘어가겠습니다. AAL액터모형을 사용한다고 말씀드렸습니다. 또한, 액터모형에서 액터들은 메시지만으로 통신한다고 말씀드렸죠. 이 때 메시지를 받는 대상 혹은 메시지의 출처의 역할을 하는 것이 메시지 블록입니다. 전자의 경우 목적(target) 블록이라 하고, 후자는 원천(source) 블록이 됩니다.

전회에서 이번 예제에 쓰이는 네가지 메시지 블록을 소개했었는데요. unbounded_buffer는 목적 및 원천으로 쓰이며 큐와 같이 여럿의 메시지를 담고 있을 수 있는 놈입니다. overwrite_buffer는 하나의 변수처럼 값 하나만을 지니며, 새로 메시지가 올 경우 기존 값은 덮어씌여집니다. 역시 원천으로도 쓰일 수 있으며, 이 경우 사본을 보냅니다. 반면, call목적 블록으로만 쓰여 메시지 도착 시 특정 함수개체를 불러주는 기능을 합니다. join은 이번 예제에서 핵심 역할을 하는 블록으로서 여러 메시지를 동시에 기다려 하나로 묶어 출력하는 기능을 합니다.

먼저 가장 간단한 Chopstick 클래스를 살펴보죠.

   22 class Chopstick{

   23     const std::string m_Id;

   24 public:

   25     Chopstick(std::string && Id):m_Id(Id){};

   26     const std::string GetID()

   27     {

   28         return m_Id;

   29     };

   30 };


이와 같이 젓가락 식별용의 문자열을 가질뿐입니다. 생성자에서 r-value 참조를 쓰고 있다는 것 정도가 주목할만한 사항이겠군요.

다음은 ChopstickProvider로 다음과 같이 단순히 typedef입니다.

   34 typedef Concurrency::unbounded_buffer<Chopstick*> ChopstickProvider;


unbounded_buffer 메시지 블록을 이용해 메시지로 젓가락을 받으면 담고 있다가 철학자의 요청이 있으면 제공하는 역할을 합니다. 물록 철학자가 한입 먹고 나선 다시 젓가락을 놓으면 다시 받아놓는 역할도 합니다. 이 예제에서는 unbounded_buffer의 개수무제한(unbounded) 특성이 사실 굳이 필요 없습니다만 그래도 unbounded_buffer의 move semantic이 필요하기에(이 점에서 사본을 보내는 overwrite_buffer와는 다르죠) 이를 쓰는 것입니다.

다음이 대망의 Philosopher 클래스가 되겠습니다. 먼저, Concurrency::agent에서 public 상속을 받고 있는 것을 확인할 수 있습니다. 말씀드린 것처럼 각 철학자가 액터가 되어 독립적으로 동작하기 (즉, 별도 스레드로) 위함입니다.

   35 class Philosopher : public Concurrency::agent

   36 {

   37     ChopstickProvider* m_LeftChopstickProvider;

   38     ChopstickProvider* m_RightChopstickProvider;

   39 

   40 public:

   41     const std::string m_Name;

   42     const size_t  m_Bites;

   43     Philosopher(const std::string&& name, size_t bites=10):m_Name(name),m_Bites(bites){};

   44     Concurrency::unbounded_buffer<ChopstickProvider*> LeftChopstickProviderBuffer;

   45     Concurrency::unbounded_buffer<ChopstickProvider*> RightChopstickProviderBuffer;

   46     Concurrency::overwrite_buffer<PhilosopherState> CurrentState;

   47     void run()

   48     {

   49 

   50         //run에서 제일 먼저 해야하는 것은 ChopstickProvider를 초기화하는 것입니다. 여기서는 receive를 통해 public 변수에 메시지가 도착하기를 기다리게 하는 방식으로 처리합니다:

   51 

   52         //ChopstickProvider들을 초기화합니다.

   53         m_LeftChopstickProvider  = Concurrency::receive(LeftChopstickProviderBuffer);

   54         m_RightChopstickProvider = Concurrency::receive(RightChopstickProviderBuffer);

   55 

   56         //이제 생각하다가 먹기를 반복해야 합니다. 그를 위해 아직 등장하지 않은 두 함수(PickupChopsticks과 PutDownChopsticks)를 이용하려고 합니다:

   57 

   58         for(size_t i = 0; i < m_Bites;++i)

   59         {

   60             Think();

   61             std::vector<Chopstick*> chopsticks(PickupChopsticks());

   62             Eat();

   63             PutDownChopsticks(chopsticks);

   64         }

   65 

   66         //남은 일은 run 메소드를 나가기 전에 정리 작업을 하는 것인데, 다른 곳에 쓰일 수 있도록 ChopstickProvider를 반환하고 에이전트의 상태를 완료로 설정하고 있습니다.

   67         Concurrency::send(LeftChopstickProviderBufferm_LeftChopstickProvider);

   68         Concurrency::send(RightChopstickProviderBuffer, m_RightChopstickProvider);

   69 

   70         this->done(Concurrency::agent_done);

   71     }

   72 

   73     std::vector<Chopstick*> PickupChopsticks()

   74     {

   75         //join 생성

   76         Concurrency::join<Chopstick*,Concurrency::non_greedy> j(2);

   77         m_LeftChopstickProvider->link_target(&j);

   78         m_RightChopstickProvider->link_target(&j);

   79 

   80         //젓가락을 듭니다.

   81         return Concurrency::receive (j);

   82     } 

   83     void PutDownChopsticks(std::vector<Chopstick*>& v)

   84     {

   85         Concurrency::asend(m_LeftChopstickProvider,v[0]);

   86         Concurrency::asend(m_RightChopstickProvider,v[1]);

   87     }

   88 private:

   89     void Eat()

   90     {

   91         send(&CurrentState,Eating);

   92         RandomSpin();

   93     };

   94     void Think()

   95     {

   96         send(&CurrentState,Thinking);

   97         RandomSpin();

   98     };

   99 };


그 다음으로 한쌍의 젓가락을 위한 두 ChopstickProvider 포인터 변수(m_LeftChopstickProvider, m_RightChopstickProvider)가 보입니다. 철학자 이름(m_Name)과 몇번 먹을지를 나타내는 변수(m_Bites), 생성자까지는 파악하시는데 어려움이 없을 겁니다.

ChopstickProvider (이 자체도 unbounded_buffer인데) 포인터를 템플릿 인자로 가지는 unbounded_buffer 변수 한쌍이 등장하는데요. (44,45줄) 철학자가 젓가락을 소유하고 있는 상황이 아니고 철학자와는 별개로 젓가락들이 존재하는 상황이기에 필요한 변수들입니다. 이 두 public 변수들을 통해, 나중에 철학자들에게 필요할 때 젓가락을 제공해주는 ChopstickProvider를, 어딘가에서 받을 수 있습니다. 이들을 갖추고 나면 그 후부터 생각하다가 먹다가 할 수 있겠죠.

그 뒤로 run 메소드가 나옵니다. 실제 액터가 구동되면 수행될 함수입니다. 먼저, 전술한 두 변수를 통해 ChopstickProvider가 제공되기를 기다립니다. 이 때 Concurrency::receive 함수를 쓰고 있습니다. (이의 비동기 버전인 Concurrency::try_receive도 있습니다.)

58줄부터는 생각하다 먹기를 반복하는 반복문이 나옵니다. ThinkEat 함수는 89줄 이하에서 확인할 수 있는 것처럼 철학자의 현재 상태를 나타내는 overwrite_buffer 형의 변수 CurrentState를 설정하는 것 이외에는 특별히 하는 일이 없습니다. 그냥 시간을 좀 지체할 뿐입니다.

그리고 이 두 함수 호출 사이에 PickupChopsticksPutDownChopsticks 함수를 써서 실제 가장 중요한 젓가락 한 쌍을 안전하게 획득하고 다시 내려놓는 일을 합니다.


이에 대한 설명은 다음 회를 기대해주세요~ ^^
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