[운영체제] IPC

패스트캠퍼스 운영체제 강의와 쉽게 배우는 운영체제 교재에 대한 TIL입니다.

 

프로세스 간 통신(IPC)

프로세스 혹은 스레드는 독립적으로 실행된다. 독립적으로 실행된다는 것은 프로세스/스레드는 다른 프로세스/스레드의 공간을 접근할 수 없다. 왜냐하면, 내 프로세스의 데이터나 코드를 다른 프로세스가 바꿀 수 있게 하는 것은 위험한 일이기 때문이다. 현대의 컴퓨터 시스템은 성능을 높이기 위해 여러 프로세스/스레드를 동시에 실행하는데 이때, 프로세스/스레드 간 상태 확인 및 데이터 송수신은 꼭 필요하다.

 

따라서, 프로세스 간 통신 방법을 제공하는데, 이를 Inter Process Communication(IPC)라고 한다. 대부분의 IPC 기법은 커널 공간을 활용하는 것이다. 왜냐하면, 커널 공간은 모든 프로세스가 공유하기 때문이다.

 

IPC 기법 종류

• 공유 파일 사용
• 공유 메모리 사용
• Pipe
• Message Queue
• Signal
• Socket

 

공유 파일 사용

저장 매체에 안에 있는 공유 파일을 사용하는 것이다.

 

 

공유 파일을 이용한 통신은 프로세스 1에서 전달하고 싶은 내용을 공유 파일에 적고 프로세스 2가 공유 파일에 적힌 내용을 읽는 단방향 통신이다. 하지만, 공유 파일을 이용한 통신은 실시간으로 통신을 주고받는 것에 어려움이 따른다. 왜냐하면, 프로세스 2에서 프로세스 1이 공유 파일에 뭔가를 적었다는 것을 확인할 수가 없으니 계속해서 읽어야 하기 때문이다. 또한, 저장 매체의 I/O 작업에 대한 오버헤드가 크기 때문에 효과적인 통신 방법은 아니다.

 

따라서, 이후에 나오는 IPC 기법들은 저장 매체를 사용하는 것이 아니라 I/O 작업에 대한 오버헤드가 적은 메모리의 커널 영역을 사용해서 통신한다.

 

 

 

공유 메모리 사용

공유 메모리를 사용하는 통신은 shmget()이라는 시스템 호출을 사용해 메모리의 커널 영역에 공유 메모리를 위한 공간을 만들어 놓고 shmat 시스템 호출을 사용해 해당 메모리 주소를 마치 변수처럼 접근하는 방식이다. 공유 메모리의 key를 가지고, 여러 프로세스가 접근할 수 있다. 이때, 공유 메모리를 사용하는 통신은 단방향 통신이다.

 

 

공유 파일을 사용하는 통신의 단점 중 하나인 I/O 작업에 대한 오버헤드 문제는 해결을 하였지만 여전히 상대방이 데이터를 언제 보낼 지 받는 쪽에서 모른다는 단점은 해결하지 못하였다. 따라서, 데이터를 받는 쪽에서 반복문을 무한 실행하면서 공유 메모리를 확인해야 하는데 이것을 바쁜 대기(Busy Waiting)이라고 한다.

 

쉽게 배우는 운영체제 교재에서는 이렇게 바쁜 대기 상태를 가지는 통신을 대기가 없는 통신(Non-Blocking Communication)이라고 하는데 이 부분이 굉장히 헷갈릴 수 있다. 왜냐하면, 논블록킹은 바쁜 대기 상태를 가지지 않는 것이기 때문이다. 나의 개인적인 생각으로는 대기가 있고 없고의 주체를 일반 프로세스가 아닌 운영체제 프로세스로 바꾸면 쉽게 이해가 된다.

 

쉽게 말해, 공유 파일이나 공유 메모리를 이용한 통신을 하고 있는 프로세스 자체에서 바쁜 대기 상태를 가짐으로써 블로킹이 되므로 운영체제 프로세스에서 해당 프로세스를 위한 대기 상태를 제공 안 해도 된다는 의미이다. 따라서, 공유 파일이나 공유 메모리를 사용하는 통신은 운영체제 입장에서는 대기가 없는 통신, 즉 비동기화 통신이라고 할 수 있다.

 

 

파이프(Pipe) 통신

파이프를 이용한 통신은 메모리의 커널 공간에 만들어진 파이프를 사용해서 통신이 이루어진다. 운영체제가 제공하는 동기화 통신 방식, 즉 대기가 있는 통신이고 단방향 통신이다. 파이프로 양방향 통신을 하려면 파이프 2개를 사용해야 한다. 파이프를 이용한 통신은 fork() 시스템 호출을 사용해 자식 프로세스를 만들었을 때, 부모와 자식 프로세스 간의 통신 방법이다.

char* msg = "Hello Child Process!";
int main()
{
    char buf[255];
    int fd[2], pid, nbytes;
    if (pipe(fd) < 0) // pipe(fd)로 파이프 생성
    	exit(1);
    pid = fork(); // 이 함수 실행 다음 코드부터 부모/자식 프로세스로 나누어짐
    if (pid > 0) { // 부모 프로세스는 pid에 실제 프로세스 ID가 들어감
    	write(fd[1], msg, MSGSIZE); //fd[1]에 쓰기.
        exit(0);
    }
    else { // 자식 프로세스는 pid에 0이 들어감
    	nbytes = read(fd[0], buf, MSGSIZE); // fd[0]으로 읽기
        printf("%d %s\n", nbytes, buf);
        exit(0);
    }
    return 0;
 }

 

위 코드는 파이프를 사용한 통신을 구현한 코드 예제이다. 위 코드에서는 부모 프로세스의 쓰기 동작이 먼저 일어나기 때문에 자식 프로세스에서 읽을 때 대기가 필요하지 않다. 만약, 자식 프로세스가 파이프에 대한 읽기 연산을 수행했는데 부모 프로세스가 아직 파이프에 대해 쓰기 연산을 수행하지 않았다면 자식 프로세스는 대기 상태가 된다. 이러한 대기 상태는 부모 프로세스가 파이프에 쓰기 연산을 수행하는 순간 자동으로 풀려 동기화가 이루어진다. 따라서, 자식 프로세스는 바쁜 대기를 하지 않아도 된다.

 

 

메시지 큐(Message Queue)

파이프 통신과 마찬가지로 메모리의 커널 공간에 큐 자료구조를 사용해서 만든 메시지 큐를 사용해 통신이 이루어진다. 파이프 통신처럼 부모-자식 프로세스 간의 통신만을 위한 것이 아니라 어느 프로세스 간에라도 데이터 송수신이 가능한 방식이다. 또한, 파이프 통신처럼 단방향 통신이 아닌 양방향 통신이다.

 

msgget(), msgsnd(), msgrcv()라는 시스템 호출을 사용해 메시지 큐를 생성, 데이터 송신, 수신을 할 수 있다.

 

 

 

다음으로 나올 두 가지 기법은 IPC용으로 만든 기법은 아니다. 하지만, IPC용으로도 사용되기 때문에 설명하겠다.

 

시그널(Signal)

시그널이란 특정 이벤트가 발생되었을 때 신호를 보내서 알려주는 것을 의미한다. 이러한 시그널을 이용하면 커널 또는 프로세스에서 다른 프로세스로 어떤 이벤트가 발생되었는지 알려줄 수 있기 때문에 IPC에 사용될 수 있다. 

 

시그널의 모든 종류를 알고 싶으면 아래 명령어를 치면 볼 수 있다.

kill -l

대부분의 시그널은 커널에서 기본 동작 수행을 한다. 다음은 몇 가지 기본 동작 예시이다.

 

• SIGKILL: 프로세스를 죽임
• SIGALARM: 알람을 발생시킴
• SIGSTOP: 프로세스를 멈춤(Ctrl + z)
• SIGCONT: 멈춰진 프로세스를 실행시킴
• SIGINT: 프로세스에 인터럽트를 보내서 프로세스를 죽임(Ctrl + c)
• SIGSEGV: 프로세스가 다른 메모리 영역을 침범했음을 알림

 

프로세스 통신 관련 코드에 관련 시그널 핸들러를 등록하면 해당 시그널에 대한 기본 동작을 무시하고 시그널 핸들러에 등록된 동작을 수행한다. 보통은 커널의 기본 동작이 없는 SIGUSR1, SIGUSR2라는 두 개의 시그널을 사용해서 프로세스 간 통신을 한다.

 

PCB에 해당 프로세스가 처리 해야하는 시그널 관련 정보를 담는 공간이 있어 프로세스 간 통신이 가능하다.

 

소켓(socket)

소켓은 기본적으로 클라이언트와 서버 같은 서로 다른 컴퓨터간의 네트워크 기반 통신을 위한 기술이다. 이러한 소켓을 이용하면 여러 컴퓨터에 있는 프로세스끼리도 통신을 할 수 있다. 또한, 127.0.0.1 루프백 주소를 사용하면 동일 컴퓨터의 프로세스끼리도 통신할 수 있다.

 

 

소켓은 프로세스 동기화를 지원하므로 데이터를 받는 쪽의 프로세스가 바쁜 대기를 하지 않아도 되는 동기화 통신 방식이고, 소켓을 1개만 사용해도 양방향 통신이 가능하다.