👨🏻‍🍳 미니 식당 타이쿤 (Mini Restaurant Tycoon)

자바 멀티스레딩 환경에서 생산자-소비자(Producer-Consumer) 패턴을 구현한 식당 운영 시뮬레이션 프로젝트입니다.

🎮 실행 화면

1. 프로젝트 개요

프로젝트 구성 및 역할

• 👨🏻‍🍳 요리사 (ChefWorker)

  • 메뉴 병렬 처리: 고객이 주문한 다양한 메뉴(커피, 피자, 파스타 등)가 각각의 전용 메뉴 큐에 쌓이면, 여러 요리사가 이를 동시에 나누어 조리합니다.
  • 주문 병합 및 이관: 자신이 담당한 메뉴의 조리가 끝날 때마다 상태를 갱신하며, 주문에 포함된 모든 메뉴가 완성되었는지 확인합니다. 마지막 메뉴까지 조리가 끝나면 해당 주문을 배달 큐로 넘깁니다.

• 🚚 배달원 (RiderWorker)

  • 완성 주문 수령: 주방에서 조리가 모두 끝난 주문들만 모여 있는 배달 큐에서 대기합니다.
  • 최종 전달: 배달 큐에 들어온 주문을 순차적으로 가져가 고객에게 전달하며 전체 프로세스를 마무리합니다.

시스템 데이터 흐름 요약

1. 주문 접수: 하나의 Order가 생성되어 구성 메뉴별로 각기 다른 메뉴 큐로 분산됩니다.
2. 조리 단계: 요리사 스레드들이 메뉴 큐를 비우며 병렬로 작업을 수행합니다.
3. 배달 단계: 모든 메뉴가 모여 '완성' 상태가 된 주문을 배달원 스레드가 처리합니다.

2. 기술 스택 및 아키텍처

• Language: Java 17
• Logging: SLF4J, Logback

src/main/java/com/tycoon/
├── Main.java                 # Entry Point: 인자 처리 및 시스템 가동
├── core/                     
│   ├── Kitchen.java          # 요리사 관리 및 메뉴별 큐 소유
│   ├── DeliveryCenter.java   # 배달원 관리 및 배달 큐 소유
│   ├── OrderGenerator.java   # Producer: 무작위 주문 생성 및 분배
│   └── QueueManager.java     # Hub: 모든 큐 인스턴스 중앙 관리
├── model/                    
│   ├── Order.java            # 주문 객체
│   ├── MenuItem.java         # Enum: 메뉴별 조리 시간 정의
│   └── OrderQueue.java       # BlockingQueue 래퍼 클래스
├── thread/                   
│   ├── ChefWorker.java       # 요리사 스레드
│   └── RiderWorker.java      # 배달원 스레드
└── view/                     
    └── Dashboard.java        # 콘솔 출력

3. 워크플로우

Class Diagram

Sequence Diagram

4. 핵심 기술 설계

4.1. Producer-Consumer

본 프로젝트는 두 단계의 생산자-소비자 연결 구조를 가집니다.

• 1차: OrderGenerator (생산자) → ChefWorker (소비자)
• 2차: ChefWorker (생산자) → RiderWorker (소비자)
• ChefWorker는 메뉴를 소비하는 주체임과 동시에, 주문을 완성시켜 배달 큐에 넣는 생산자의 역할을 겸합니다.

4.2 동기화

1. AtomicInteger

• 하나의 주문(Order)은 여러 개의 메뉴로 구성됩니다.
• 각 메뉴는 서로 다른 요리사 스레드(ChefWorker)들이 병렬로 조리할 수 있습니다. 조리가 완료되면 ChefWorker는 주문(Order)의 completedCount를 증가시킵니다.
• 조리 완료된 메뉴의 개수(completedCount)가 전체 주문 메뉴의 개수(totalItems)와 일치하면 해당 주문을 배달 큐로 보냅니다.
• 여러 개의 스레드가 동시 접근할 위험이 있는 completedCount 변수를 AtomicInteger로 선언함으로써 동시성을 제어합니다. 이는 하드웨어 수준의 CAS(Compare-And-Swap) 연산을 이용하여 Race Condition을 방지합니다.

// src/main/java/model/Order.java

private final AtomicInteger completedCount = new AtomicInteger(0);

2. Synchronized

• ChefWorker의 findWork()는 조리 시작 전 모든 메뉴 큐를 순회하며 최적의 작업을 결정하고 인출하는 탐색 메서드입니다.
• 이 과정에서 synchronized(allMenuQueues)를 통해 QueueManager가 관리하는 모든 메뉴 큐에 대한 전역 락(Global Lock)을 획득합니다.
• 이를 통해 작업을 확인(peek)하고 인출(poll)하는 시점까지의 원자성을 보장하는 임계 영역(Critical Section)을 형성합니다.
• 동일한 주문을 여러 요리사가 동시에 수주하는 중복 점유 문제를 차단합니다.

// src/main/java/thread/ChefWorker.java

private Order findWork() {
    ...
    synchronized (allMenuQueues) {
        // 2. 주문 번호 기반 일반 작업 탐색: peek and poll
        return findEarliestOrder();
    }

3. BlockingQueue

• 생산자와 소비자 스레드 간의 작업 처리 속도 차이를 조율하는 시스템 완충 장치입니다.
• 내부적인 Wait-Notify 메커니즘을 통해 스레드 간 실행 타이밍을 동기화하며, 데이터 삽입 및 인출 연산의 원자성을 보장합니다.
• 생산자(OrderGenerator): 큐가 임계치에 도달하여 가득 차면, 공간이 확보될 때까지 생산자 스레드를 자동으로 대기(Blocking)시켜 시스템 자원의 오버플로우를 방지합니다.
• 소비자(Chef/Rider): 처리할 일감이 없으면 대기 상태로 진입하여 CPU 점유를 멈추고, 새로운 주문이 투입되는 즉시 깨어나(Wake-up) 작업을 수행합니다.

• 복합적 역할(Chef): 요리사는 메뉴 큐의 소비자임과 동시에 배달 큐의 생산자입니다. 만약 배달 처리 속도가 지연되어 배달 큐가 꽉 찬다면, 조리를 마친 요리사는 배달 큐에 공간이 생길 때까지 대기하게 됩니다. 이를 통해 시스템 전체의 흐름이 처리 용량에 맞춰 유기적으로 제어됩니다.

// src/main/java/model/OrderQueue.java

private final BlockingQueue<Order> queue = new LinkedBlockingQueue<>();

4.3 스케줄링

효율적인 주방 운영을 위해 셰프(ChefWorker)가 요리할 메뉴를 선택하는 기준에는 다음과 같은 우선순위를 적용합니다.

1. 긴급 처리 (Backpressure): 특정 메뉴 큐의 크기가 임계치(80%)를 초과할 경우, 주문 번호와 상관없이 해당 큐를 최우선으로 처리하여 시스템 병목을 해소합니다.
2. 순차 처리 (FCFS): 긴급 상황이 아닐 시, 모든 큐를 전수 조사하여 주문 번호(Order ID)가 가장 낮은 작업을 선택함으로써 선입선출 원칙을 준수합니다.

// src/main/java/thread/ChefWorker.java

private Order findWork() {

    // 1. 큐 포화도 기반 긴급 작업 탐색
    Order urgentOrder = findUrgentOrder();
    if (urgentOrder != null) {
        return urgentOrder;
    }

    // 2. 주문 번호 기반 일반 작업 탐색: peek and poll
    Map<MenuItem, OrderQueue> allMenuQueues = queueManager.getAllMenuQueues();
    synchronized (allMenuQueues) {
        return findEarliestOrder();
    }

5. 백프레셔(Backpressure) 시나리오

시나리오 1: 입구 병목 (주문 과부하)

"만드는 속도보다 들어오는 속도가 빠를 때" 발생하는 현상입니다.

• 상황: 요리사들이 요리를 완성하는 속도보다 OrderGenerator가 주문을 밀어넣는 속도가 더 빠를 경우입니다.
• 결과: 메뉴 큐가 꽉 차게 되면, 주문을 생성하던 스레드는 큐에 빈 자리가 생길 때까지 그 자리에서 대기합니다.
• 효과: 주방이 감당할 수 있는 수준까지만 주문을 접수하여 시스템이 마비되는 것을 방지합니다.

시나리오 2: 출구 병목 (배달 지연으로 인한 연쇄 정체)

"나가는 길이 막혀서 주방 전체가 줄줄이 멈출 때" 발생하는 현상입니다.

1. 배달 정체: 배달원들이 주문을 다 처리하지 못해 배달 대기 큐가 가득 찹니다.
2. 조리실 정지: 요리를 다 끝낸 요리사가 음식을 배달 선반(배달 큐)에 올리려 하지만, 자리가 없어서 음식을 든 채로 멈춰 서게 됩니다.
3. 재료 준비 정지: 요리사가 다음 요리를 시작하지 못하므로 메뉴 큐에서 일감을 가져가지 않게 되고, 결국 메뉴 큐까지 가득 찹니다.
4. 주문 접수 중단: 마지막으로 주문을 넣으려던 OrderGenerator까지 멈추면서, 배달이 하나 완료되어야만 요리가 끝나고, 요리가 끝나야만 새 주문이 들어오는 연쇄적인 흐름 제어가 일어납니다.

6. 실행 방법

프로그램 실행 시 인자로 요리사의 수와 배달원의 수를 전달합니다.

chcp 65001 # windows terminal에서 실행 시 인코딩 설정 필요
mvn compile exec:java -Dexec.mainClass="Main" -Dfile.encoding="UTF-8" -Dexec.args="--chefCount 3 --riderCount 2"