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Modern Embedded Recipes · 68/152

RTOS Queue 활용 — By-Value·By-Reference·Timeout 패턴

· Hawk · 4분 읽기

#한 줄 요약

“Queue는 producer가 데이터를 복사해 넣고 consumer가 복사해 꺼내는 FIFO입니다.” 작은 데이터는 by-value, 큰 데이터는 by-pointer가 표준입니다.

#어떤 상황에서 쓰나

ISR이 ADC 샘플을 받아 task에 넘기고, BLE stack이 packet을 application에 전달하고, sensor task가 측정값을 logger에 보내는 모든 흐름이 queue입니다. Semaphore는 신호만 전달하지만 queue는 데이터까지 같이 보냅니다.

선택지가 있는 부분은 얼마나 큰 데이터를 어떻게 넘길지입니다. 항상 by-value로 보내면 큰 buffer를 매번 복사하느라 CPU가 새고, 항상 by-pointer로 보내면 lifetime과 ownership을 잘못 설계해 use-after-free가 발생합니다.

#핵심 개념

API동작
xQueueCreate(N, sizeof(T))N개 슬롯, 항목 크기 sizeof(T)
xQueueSend뒤에 추가 (by value, 복사)
xQueueSendToFront앞에 추가 (긴급 신호)
xQueueReceive앞에서 제거 (by value, 복사)
xQueuePeek제거하지 않고 읽기

Queue는 내부에서 memcpy(slot, &item, sizeof(T))를 합니다. 그래서 sizeof(T)가 크면 send 비용이 그만큼 늘어납니다.

방식적합한 경우
by-valueT가 32 B 이하 — 단순, 안전, lifetime 걱정 없음
by-pointerT가 큼 — pool에서 받아 pointer만 send
zero-copyDMA buffer를 미리 할당, index만 queue로 전달

Backpressure는 queue가 full일 때 producer가 어떻게 행동할지의 정책입니다. block, drop, replace 세 가지 중 선택합니다.

#코드 / 실제 사용 예

#By-value (작은 메시지)

typedef struct { uint32_t ts; int16_t x, y, z; } sample_t;
QueueHandle_t samples;
void task_imu(void *arg) {
sample_t s;
for (;;) {
read_accel(&s.x, &s.y, &s.z);
s.ts = xTaskGetTickCount();
if (xQueueSend(samples, &s, 0) != pdTRUE)
stats.drop++; /* full이면 즉시 drop */
}
}
void task_logger(void *arg) {
sample_t s;
for (;;) {
xQueueReceive(samples, &s, portMAX_DELAY);
log_sample(&s);
}
}
int main(void) {
samples = xQueueCreate(64, sizeof(sample_t));
}

10 byte 정도의 sample은 by-value가 가장 단순합니다. lifetime 걱정이 없고 send 후 sender의 stack은 자유롭게 재사용할 수 있습니다.

#By-pointer (큰 메시지)

typedef struct { uint8_t data[1024]; size_t len; } pkt_t;
QueueHandle_t pkt_q;
static pkt_t pool[8];
SemaphoreHandle_t pool_sem;
pkt_t *pkt_alloc(void) {
if (xSemaphoreTake(pool_sem, 0) != pdTRUE) return NULL;
/* free list에서 하나 가져오기 */
return pool_pop();
}
void pkt_free(pkt_t *p) {
pool_push(p);
xSemaphoreGive(pool_sem);
}
void task_rx(void *arg) {
for (;;) {
pkt_t *p = pkt_alloc();
radio_read(p->data, &p->len);
xQueueSend(pkt_q, &p, portMAX_DELAY); /* pointer 한 word만 복사 */
}
}
void task_parse(void *arg) {
pkt_t *p;
for (;;) {
xQueueReceive(pkt_q, &p, portMAX_DELAY);
parse(p);
pkt_free(p);
}
}

1 KB의 packet을 매번 복사하면 32-bit ARM에서도 수 µs가 듭니다. Pool에서 미리 할당해두고 pointer만 send하면 send 비용이 4 byte로 떨어집니다. 대신 lifetime을 명확히 관리해야 합니다.

#ISR에서 send

void UART_IRQHandler(void) {
BaseType_t hp = pdFALSE;
uint8_t byte = USART1->DR;
xQueueSendFromISR(rx_q, &byte, &hp);
portYIELD_FROM_ISR(hp);
}

*FromISR을 잊으면 critical section이 어긋납니다. ISR이 byte 단위로 push하고 task가 line 단위로 처리하는 패턴이 매우 흔합니다.

#Backpressure 정책 비교

/* drop on full — sender가 빠를 때 */
xQueueSend(q, &item, 0);
/* block on full — sender가 늦춰져도 됨 */
xQueueSend(q, &item, portMAX_DELAY);
/* replace on full — 최신 값만 의미 있음 */
xQueueOverwrite(latest_q, &item); /* length=1 queue에만 */

센서 stream처럼 손실해도 되는 데이터는 drop이 적절합니다. command queue는 block이, “현재 값”만 의미 있는 telemetry는 overwrite가 적절합니다.

#Queue set으로 다중 입력 대기

QueueSetHandle_t qs = xQueueCreateSet(20);
xQueueAddToSet(cmd_q, qs);
xQueueAddToSet(timer_q, qs);
void task_dispatch(void *arg) {
for (;;) {
QueueHandle_t active = xQueueSelectFromSet(qs, portMAX_DELAY);
if (active == cmd_q) {
cmd_t c; xQueueReceive(cmd_q, &c, 0);
handle_cmd(&c);
} else if (active == timer_q) {
tick_t t; xQueueReceive(timer_q, &t, 0);
handle_tick(&t);
}
}
}

여러 queue를 동시에 기다리는 패턴입니다. Linux의 epoll에 해당합니다. 다만 queue set은 memory를 더 쓰니 정말 필요할 때만 씁니다.

#Stream buffer (가변 길이)

StreamBufferHandle_t sb = xStreamBufferCreate(1024, 1);
/* sender — 가변 길이 byte stream */
xStreamBufferSend(sb, "hello\n", 6, 0);
/* receiver */
char buf[64];
size_t n = xStreamBufferReceive(sb, buf, sizeof(buf), portMAX_DELAY);

UART나 USB CDC처럼 byte 단위로 들어오는 stream에는 queue보다 stream buffer가 자연스럽습니다.

#측정 / 성능 비교

연산 시간 (Cortex-M4 72 MHz)
xQueueSend (sizeof 12 B) 1.4 µs
xQueueSend (sizeof 256 B) 3.2 µs ← memcpy 비용
xQueueSend (pointer only, 4 B) 1.1 µs
xQueueReceive (block → wake) 6.8 µs
xStreamBufferSend (32 B) 1.3 µs

대형 메시지를 by-value로 보내면 send 비용이 빠르게 증가합니다. 64 byte를 넘으면 pointer 방식을 검토할 가치가 있습니다.

RAM 사용량
queue (N=64, item 12 B) Queue 구조 + 768 B
queue (N=8, pointer 4 B) Queue 구조 + 32 B + pool 8 KB

By-pointer는 pool RAM이 별도로 필요하지만, 전체로 보면 비슷하거나 더 작은 경우가 많습니다.

#자주 보는 함정

Lifetime 관리 실패 (by-pointer)

void send_msg(void) {
char buf[64]; /* stack */
sprintf(buf, "hello");
xQueueSend(q, &buf, 0); /* receiver가 받기 전에 buf 소멸 */
}

Stack 변수의 pointer를 send하면 receiver가 garbage를 읽습니다. Pool 또는 static buffer에서만 보내야 합니다.

Pool exhaustion 무시

pkt_t *p = pkt_alloc();
xQueueSend(q, &p, 0); /* p가 NULL이면 receiver crash */

Pool이 비면 alloc이 NULL을 돌려줍니다. 항상 check하고 backpressure 처리를 정의해둡니다.

sizeof 실수

QueueHandle_t q = xQueueCreate(64, sizeof(pkt_t *)); /* 4 B per slot */
pkt_t p;
xQueueSend(q, &p, 0); /* by-value인 줄 알았다면 첫 4 byte만 복사됨 */

Create와 send/receive의 sizeof가 어긋나면 silent corruption이 발생합니다. by-pointer queue임을 명시적으로 표시합니다.

Full에서 portMAX_DELAY로 sender block

xQueueSend(q, &item, portMAX_DELAY); /* consumer가 죽으면 producer도 영구 block */

Backpressure 정책 없이 무한 대기하면 cascading failure가 발생합니다. timeout과 drop counter를 함께 둡니다.

#정리

  • Queue는 by-value memcpy가 기본입니다. sizeof가 클수록 send 비용이 늘어납니다.
  • 64 byte 이상은 by-pointer + pool 패턴이 거의 항상 더 빠릅니다.
  • ISR은 xQueueSendFromISRportYIELD_FROM_ISR을 함께 씁니다.
  • Backpressure 정책(block, drop, replace)을 코드 단위로 명시합니다.
  • Queue set은 여러 입력을 한 task에서 대기할 때 씁니다.
  • Stream buffer는 byte stream에, queue는 record 단위에 적합합니다.
  • By-pointer는 lifetime과 pool exhaustion을 항상 확인합니다.

다음 편은 Event Group입니다. 여러 비트로 multi-condition wait을 다룹니다.

#관련 항목

Modern Embedded Recipes · 69 of 152

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  7. 7 I2C 하드웨어 분석 — Open-Drain·Clock Stretching·Arbitration
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  9. 9 DAC 동작 원리 — R-2R Ladder·Sigma-Delta·Settling Time
  10. 10 PWM 신호 생성 분석 — Duty·Frequency·Dead Time·Center-Aligned
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  24. 24 임베디드 크로스 컴파일러 분석 — GCC·Clang·Sysroot 구성
  25. 25 C 컴파일 4단계 — Preprocess·Compile·Assemble·Link 추적
  26. 26 ELF 파일 구조 분석 — Section·Segment·Symbol Table·DWARF
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  70. 70 RTOS Event Group 활용 — Bit Wait·Sync·Notify
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  79. 79 Device Tree Overlay 적용 — Runtime fragment·dtoverlay
  80. 80 임베디드 커널 빌드 — defconfig·menuconfig·Image·zImage
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  83. 83 Platform 드라이버 작성 — probe·remove·of_match·DT 바인딩
  84. 84 mmap 4가지 모드 — Anonymous·File·Shared·Huge Page
  85. 85 epoll 실전 — LT·ET·ONESHOT·EXCLUSIVE 비교
  86. 86 UIO·VFIO 분석 — User-Space Driver와 IOMMU 격리
  87. 87 sysfs·configfs 활용 — kobject 기반 User 인터페이스
  88. 88 IRQ Affinity 튜닝 — smp_affinity·isolcpus·irqbalance
  89. 89 루트 파일시스템 구축 — Buildroot 기초·Package·Toolchain
  90. 90 임베디드 동적 메모리 — malloc 위험·결정성·대안 분석
  91. 91 메모리 정렬과 패딩 분석 — Natural·Strict Alignment·Trap
  92. 92 Cache Line Alignment — alignas·Padding·SoA 적용
  93. 93 DMA-Friendly Allocator — dma_alloc_coherent·IOMMU·Pool
  94. 94 Zero-Copy Pipeline — DMA-BUF·sendfile·io_uring·splice
  95. 95 NUMA Memory Topology — numactl·numa_alloc·HBM 적용
  96. 96 SIMD 활용 분석 — Intrinsics·Auto-Vectorization·OpenMP SIMD
  97. 97 ARM NEON 심화 — Matrix Multiply·FFT·Image Filter 적용
  98. 98 임베디드 스택 분석 — high-water·overflow 탐지
  99. 99 임베디드 코드 크기 최적화 — -Os·LTO·Section Garbage Collection
  100. 100 임베디드 전력 최적화 — Sleep Mode·Clock Gating·DVFS
  101. 101 WCET 분석 기법 — Static·Measurement·Hybrid 방법론
  102. 102 Lock-Free Ring Buffer 구현 — SPSC·Power-of-2·Memory Order
  103. 103 Wait-Free Signaling — Atomic Flag·Sequence·Latest-Value
  104. 104 RCU (Read-Copy-Update) 기초 — Quiescent State·Grace Period
  105. 105 Hazard Pointer 분석 — Lock-Free Memory Reclamation
  106. 106 Compare-And-Swap 패턴 — Stack·Counter·Linked List 적용
  107. 107 Atomic Operation 비용 분석 — Fence·Cache Line·Contention
  108. 108 Spinlock vs Mutex 결정 가이드 — Context Switch·Hold Time
  109. 109 ABA 문제 회피 — Tagged Pointer·Hazard·Generation Counter
  110. 110 False Sharing 해결 — Cache Line Padding·SoA 적용
  111. 111 MPMC Queue 구현 — Multi-producer Multi-consumer Lock-Free
  112. 112 임베디드 디버깅 마인드셋 — 가설·격리·재현·이분탐색
  113. 113 JTAG·SWD 안 붙을 때 — 핀·전압·속도·세션 진단
  114. 114 GDB 원격 디버깅 — OpenOCD·J-Link·target remote 구성
  115. 115 Cortex-M 하드폴트 분석 — Stacked Frame·CFSR 읽기
  116. 116 UART 안 찍힐 때 — Bare-metal 체크리스트
  117. 117 임베디드 부팅 실패 진단 — 단계별 Isolation
  118. 118 인터럽트 누락·중복 진단 — Priority·Pending·Re-entry 추적
  119. 119 메모리 오버플로우·오염 진단 — Canary·MPU·Pattern 분석
  120. 120 타이밍·Race 진단 — Heisenbug 잡는 법
  121. 121 통신 프로토콜 분석 — Logic Analyzer와 Protocol Decoder
  122. 122 임베디드 로깅 시스템 설계 — 레벨·버퍼·SWO·Deferred
  123. 123 임베디드 포스트모템 분석 — Core Dump와 Field Crash
  124. 124 FPGA 기초 분석 — LUT·FF·BRAM·DSP 자원 구조
  125. 125 Vivado 사용법 — Project·Constraint·Synth·Impl·Bitstream
  126. 126 PCIe BAR 매핑 분석 — Config Space·Enumeration·MMIO 접근
  127. 127 AXI 인터페이스 — AXI4·AXI4-Lite·AXI-Stream 비교
  128. 128 Zynq PS-PL 통신 — GP·HP·ACP 인터페이스 선택
  129. 129 Mailbox Protocol 분석 — Host와 Accelerator를 잇는 Doorbell
  130. 130 Command Queue·Submission Queue — NVMe·XDMA 공통 패턴
  131. 131 DMA Completion 메커니즘 — Interrupt·Polling·Completion Ring
  132. 132 PCIe Streaming 분석 — BAR Type·MSI-X·Kernel Bypass
  133. 133 Vitis HLS 분석 — Pragma·Pipeline II·Dataflow 실전 감각
  134. 134 HLS 최적화 기법 — Pipeline·Unroll·Partition·Dataflow
  135. 135 Vitis AI 분석 — DPU·xmodel·VART
  136. 136 OpenCL on FPGA — Kernel·Channel·Burst Memory 분석
  137. 137 Intel Quartus 사용법 — Platform Designer·Nios II·HLS
  138. 138 Edge Inference 분석 — Cloud vs Edge·Latency·Privacy
  139. 139 NPU 아키텍처 분석 — Ethos·Hexagon·Systolic Array 비교
  140. 140 딥러닝 Quantization 분석 — PTQ·QAT·INT8·INT4·Calibration
  141. 141 TensorRT 분석 — ONNX→Engine·FP16·INT8·DLA·Multi-Stream
  142. 142 TFLite Micro 분석 — Op Resolver·Tensor Arena·Cortex-M
  143. 143 ONNX Runtime 분석 — Execution Provider와 Cross-Platform 배포
  144. 144 Edge Thermal Management — Throttling·DVFS·Fan Curve·Sustained
  145. 145 NVIDIA Jetson 분석 — Nano·Xavier·Orin·Thor·JetPack·DLA·VPI
  146. 146 Zero-Copy Camera Pipeline — V4L2·DMA-BUF·GPU Import·NPU 직결
  147. 147 온디바이스 LLM 추론 — llama.cpp·GGUF·MLX·KV Cache·NPU Backend
  148. 148 Cortex-M33 TF-M·TrustZone — Secure Firmware·PSA·MCUboot
  149. 149 Matter·Thread 분석 — IoT 통합 표준·Commissioning·Multi-Fabric
  150. 150 PCIe → CXL 진화 — 같은 PHY 위 cache-coherent 프로토콜 추가
  151. 151 QEMU CXL Type 3 디바이스 에뮬레이션 — 노트북에서 CXL 개발 환경 구축
  152. 152 Linux CXL 드라이버 분석 — cxl_pci·cxl_core·region·DAX