안드로이드 블루투스의 비동기 처리와 Concurrent Util

 

직토 / 19. 12. 11. 오후 6:57

안드로이드 블루투스 통신은 직토워크의 초기부터 개발팀이 공을 많이 들인 부분이다. 대부분의 Bluetooth Low Energy(이하 BLE)를 사용하는 디바이스의 애플리케이션을 제작할 때 iOS보다는 Android에 힘을 많이 쏟기 마련이다. 워낙 다양한 Chipset과 버젼들이 쓰여지고 있고 제조사마다 표준을 지키지 않는 경우도 많지만, 그렇다고 스마트폰 제조사를 탓 할 수 없기때문에 유연한 통신 방식을 애플리케이션 레벨에서 제공해야 한다.

BLE로 GATT Profile을 이용하여 하나느 일반적으로 GATT Profile을 이용하여 Characteristic을 만들어서 읽거나, 마치 UART 통신처럼 프로토콜을 제작하여서 데이터 통신을 하는 경우가 대부분이다.

이번 글에서는 BLE의 하드웨어 통신보다 Android Framework에서 효율적으로 통신보다 Bluetooth 어댑터관리와 효율적인 이벤트를 처리하는 방법에 대해서 이야기하려고 한다(iPhone의 경우 디바이스의 다양성이 적어서 훨씬 문제가 덜 하다).

대부분의 BLE의 통신에 대한 이벤트는 대부분 Callback함수를 Override하여서 사용하게 되어있다. 다른 명령을 Write하더라도 항상 같은 부분에서 이벤트가 발생하기 때문에 여러 이벤트에 대한 순차적 처리를 하기 어려운 부분이 있다. 직토워크의 경우는 A라는 Characteristic에 데이터를 쓰면 B라는 Characteristic에서 Notify가 오는 구조로 설계되어 있다. 또한 대부분의 통신이 순차적으로 처리되야 한다.

Daisy Chain형태의 구조를 개선하고 각 모듈(통신 프로토콜)의 재사용을 위해서 처음 도입했던 것이 Java의 Concurrent Util이다. 생각보다 편하게 쓸 수 있는 클래스를 많이 제공해 주고 있다. 인터넷에 여러가지 예제가 있다.

초기화 문제

BLE가 초기화가 되려면 시스템마다 매우 다르지만 직토워크는 총 8개의 단계를 거쳐서 초기화를 한다. Android의 대부분의 예제등은 실패이후에 다시 재시도 하는 방법에 대한 부분들이 명확하게 정의되어 있지 않아서, 이 부분을 정확하게 처리 하지 않으면 애플리케이션을 종료하고 실행해야 하는 경우가 생기고는 한다. 휴대폰을 재시작하거나 블루투스를 off/on해야 해결되는 경우가 아닌, 앱을 재시작해서 블루투스 통신이 되는 경우는 hardware(혹은 framework)이슈가 아닌 software이슈기 때문에 반듯이 해결하고 나가야하는 문제이다.

GATT Profile을 이용하여 통신한다면 Step 7까지는 같을 것이고, 데이터를 받아오는 방식이 characteristic을 read하거나 혹은 notify를 통해 받는 방법에서 Step 8이 차이가 날 것이다.

  • Step 1. BluetoothManager의 획득
        bluetoothManager = (android.bluetooth.BluetoothManager)             MainApplication.getApplication().getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);
  • Step 2. BluetoothAdapater의 획득
        bluetoothAdapter = bluetoothManager.getAdaperter();
  • Step 3. Device의 획득
        device = bluetoothAdapter.getRemoteDevice(MACAddress);

위 세부분은 시스템에서 받아오는 부분이기 때문에 함수들이 Synchronous하게 호출 되기때문(실행결과가 바로 return)에 큰 문제가 없다. 하지만 이후 부터는 실제 Bluetooth를 통해서 디바이스(직토워크)와 통신하는 부분이기 때문에 대부분 asynchronous하게 실행된다. 실제 코드에선 각 부분이 null 값에 대한 이벤트를 처리해야 한다.

  • Step 4. BLE 스캔
  • Step 5. connectGatt
  • Step 6. 원하는 몇 개의 Service를 Discover
  • Step 7. 원하는 몇 개의 Characteristic을 Discover
  • Step 8. 서비스의 Descriptor를 notify로 변경

위의 4개의 이벤트가 발생한 후에 Write를 시작할 수 있다. 기본적으로 모든 함수들이 callback형식으로 framework에서 제공이 되기 때문에 daisy chain으로 구현이 가능하다(제발 안그랬으면 한다). 혹은 Semaphore를 이용하면 thread를 block하는 과정을 구현할 수 있지만 계속 별도의 Semaphore를 생성 해주어야하는 문제와 Semaphore를 wait하는 과정에서 BLE가 동작이 원할하지 않는 현상을 발견하였다(BLE는 Framework에서 처리하여서 오는 이벤트이기 때문에 비동기 혹은 background 모듈 사용시 항상 시행착오가 많았다).

여러모듈 부터 다른 방법을 많이 시도하였지만, 프로그램적으로는 동작하나 Bluetooth이벤트가 정상적으로 처리가 되지 않는 경우가 많았다. 그 중 Concurrent Util에서 CountdownLatch를 이용하여 간단하게 해결하였고, BLE 동작성 역시 문제가 없었다.

initializeLatch = CountDownLatch(4);

이벤트를 체크하고 싶은 곳에

initializeLatch.countDown();

위 코드를 추가하여 15초이내에 4개의 이벤트가 모두 발생하면 초기화가 완료되고 그렇지 않으면 초기화가 실패하는 루틴을 생성하였다. 항상 같은 순서로 이벤트가 발생하지 않기 때문에 countdownlatch는 순서에 상관없이 countdown만 일어나면

initializeLatch.await(15, TimeUnit.SECONDS);

그 결과, 원할하게 초기화 프로세스가 진행되었고, 4스텝중에 한 곳에서라도 문제가 생기면 15초후에는 에러 처리를 한 곳에서 할 수 있게 되었다.

여러 프로토콜의 실행

그 다음 해결해야 하는 문제는 이러한 쓰고/읽는 프로토콜을 serial하게 실행시킬 수 있는 manager가 필요하였다.

이곳에서는 ExecutorService와 Future를 AsyncTask에서 처리하여서 UI에서 부드럽게 처리할 수 있게 하였다.

ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();
Future pedoFuture = pool.submit(new GetPedoRunnable(bluetoothLeModuleHandler, address));
Future> walkingScoreFuture = pool.submit(new GetSoundWalkingScoreRunnable(bluetoothLeModuleHandler, address));
Future batteryFuture = pool.submit(new GetBatteryDataCallable(bluetoothLeModuleHandler, address));
Future walkNumberFuture = pool.submit(new GetWalkNumberCallable(bluetoothLeModuleHandler, address));
Future> activityDataFuture = pool.submit(new GetActivityDataRunnable(bluetoothLeModuleHandler, address));
Future linkFuture = pool.submit(new GetDeviceLinkCallable(bluetoothLeModuleHandler, address));
Future resetFuture = pool.submit(new SyncResetRunnable(bluetoothLeModuleHandler, address));
pool.submit(new DisconnectCallable(bluetoothLeModuleHandler, address));
pool.shutdown();

여러 Runnable Module을 ExecutorService에 넣는다. 각각의 runnable은 또 다시 countdownlatch를 이용하여 디바이스에서 값을 받은 후 종료되게 설계하였다.

SyncWalkPhaseOneAsyncTask syncWalkPhaseOneAsyncTask = new SyncWalkPhaseOneAsyncTask(pedoFuture, walkingScoreFuture, batteryFuture, walkNumberFuture, walkingPostureFuture);
syncWalkPhaseOneAsyncTask.execute();
SyncWalkPhaseTwoAsyncTask syncWalkPhaseTwoAsyncTask = new SyncWalkPhaseTwoAsyncTask(walkingScoreFuture, activityDataFuture, linkFuture, resetFuture);
syncWalkPhaseTwoAsyncTask.execute();

ExecutorService의 SingleThreadExecutor를 이용하여 추가되는 Runnable을 순차적으로 실행할 수 있게 하였고(마치 queue와 같다), 각 runnbable에서 얻게되는 결과값을 AsyncTask에서 Future통해 받은 후 UI에서 업데이트 할 수 있게 하였다.

그림 1. ExecutorService와 AsyncTask의 관계

항상 async의 문제는 handler나 asynctask등을 통하여서 thread에 접근하여서 UI를 그리는 권한이 있는 thread에 데이터를 전달해주는 부분이 문제였다. Handler를 쓰면 간단하게 해결되는 경우가 많지만 메시지가 남발되어 제대로 관리하지 않으면 재사용이 불가능한 코드가 되버리기 쉽상이다.

Web 통신과 같이 bluetooth통신 역시 Program자체보다 Environment에 의해서 이벤트가 발생하고 그것에 대한 concurrency control을 얼마나 효율적으로 하느냐가 관건이다. 조금 우겨 넣는 것 같지만, 이러한 “Reactive”한 이벤트처리에는 ReactiveX를 이용해보는 것을 시도해보는것도 좋은 refactoring이 될것 같다.

기업문화 엿볼 때, 더팀스

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