상태기계와 코루틴 프레임

코루틴이란?

일반적인 함수의 경우 한번 호출되면 완료될때까지 실행되지만 

코루틴은 실행 중간에 중단되었다가 나중에 중단됨 지점부터 다시 재개될 수 있는 함수입니다. 

상태기계 (State Machine)

상태기계는 코루틴이 어떻게 함수의 실행을 중단했다가 다시 재개할 수 있는지를 설명하는 핵심 매커니즘입니다. 

컴파일러는 코루틴 함수를 상태기계로 변화하는 과정을 거칩니다. 

 

예를 들어, 다음과 같은 코루틴이 있다고 가정했을 때, 

task<int> example_coroutine() {
    std::cout << "시작" << std::endl;
    co_await first_operation();
    std::cout << "중간" << std::endl;
    co_await second_operation();
    std::cout << "끝" << std::endl;
    co_return 42;
}

컴파일러는 이 코드를 내부적으로 다음과 같은 상태들을 가진 상태 기계로 변환합니다. 

// 컴파일러가 생성하는 내부적인 상태 기계의 의사 코드
class ExampleCoroutineStateMachine {

    // 해당 코루틴이 가질 수 있는 상태 종류 정의 
    enum class State {
        Start = 0,          // 초기 상태
        AfterFirst = 1,     // first_operation 완료 후
        AfterSecond = 2,    // second_operation 완료 후
        Completed = 3       // 코루틴 완료
    };
	
    // 현재 코루틴의 상태 
    State current_state = State::Start;
    
    // 상태에 따라 코루틴 재실행시 상태 설정 및 실행 위치 조정 
    void resume() {
        switch (current_state) {
            case State::Start:
                std::cout << "시작" << std::endl;
                first_operation();
                current_state = State::AfterFirst;
                break;
                
            case State::AfterFirst:
                std::cout << "중간" << std::endl;
                second_operation();
                current_state = State::AfterSecond;
                break;
                
            case State::AfterSecond:
                std::cout << "끝" << std::endl;
                result = 42;
                current_state = State::Completed;
                break;
        }
    }
    // 코루틴 완료 값 
    int result;
};

 

코루틴 프레임 ( Coroutine Frame)

코루틴 프레임은 상태 기계가 중단, 재개를 거치며 실행될 때 필요로 하는 모든 데이터를 저장하는 메모리 구조 입니다. 이는 힙에 할당되며 다음과 같은 구조를 가집니다. 

예제를 통해 이 구조가 어떻게 사용되는 살펴보면 

task<int> calculate_sum(int start, int end) {
    int sum = 0;
    int current = start;
    
    while (current < end) {
        sum += current;
        current++;
        
        if (current % 1000 == 0) {
            co_await yield_point();  // 중단점
        }
    }
    
    co_return sum;
}

이 코드의 코투린 프레임은 다음과 같이 구성될 수 있습니다. 

// 이 코드의 코루틴 프레임 구조
struct CalculateSumFrame {
    // Promise 객체 - 결과값 관리
    promise_type<int> promise;
    
    // 매개변수 복사
    int start;
    int end;
    
    // 지역 변수들
    struct {
        int sum;
        int current;
    } locals;
    
    // 현재 상태
    enum class State {
        Initial,
        Yielded,
        Completed
    } current_state;
};

코루틴이 힙에 할당되는 이유는 아래와 같습니다. 

• 수명 관리: 코루틴 프레임은 코루틴보다 오래 살아남을 수 있어야 합니다. 코루틴이 중단되어 콜 스택에서 해제되어도 프레임은 메모리에 유지되어야만 이후 다시 이를 참조하여 작업을 이어서 수행할 수 있기 때문입니다. 
• 공유 가능성: 여러 실행 컨텍스트가 같은 코루틴 프레임에 접근할 수 있습니다.

 

마지막으로 전체 내용을 정리하면

• 상태 기계는 코루틴의 실행 로직을 관리합니다 (무엇을 실행할지)
• 코루틴 프레임은 실행에 필요한 데이터를 관리합니다 (실행에 필요한 정보)
• 두 요소가 함께 작동하여 코루틴의 중단과 재개를 가능하게 합니다

이러한 구조 덕분에 코루틴은 실행 중간에 중단되었어도 나중에 정확히 같은 지점에 모든 상태를 유지한 채로 재개될 수 있습니다.