인프런 공룡책 정리 - Section 03 ｜ CS Study

hoya·2022년 3월 1일
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⚠️ 해당 포스팅은 인프런 공룡책 강의를 듣고 개인적으로 정리하는 글입니다. 정확하지 않은 정보가 있을 수 있으니 주의를 요합니다.

Section 03

Chapter 3 Process (2)

Interprocess Communcation

  • 동시에 실행하는, 즉 동시성을 지닌 프로세스는 독립적인 프로세스(independent processes)이거나, 상호 협력적인 프로세스(cooperating processes)일 수 있다.
  • 독립적인 프로세스는, 다른 프로세스와 공유할 데이터가 없다.
  • 협력 프로세스는 다른 프로세스와 데이터를 공유하며 서로에게 영향을 주거나 받을 수 있다.

IPC (Inter-Process Communcation)

  • 협력 프로세스는 IPC 메커니즘을 필요로 한다.
  • 이는 데이터를 교환할 수 있게 해주며, 서로에게 데이터를 보내거나 받을 수 있게 해준다.
  • IPC 모델은 2가지가 존재하는데, 이는 공유 메모리 방식(shared memory)과 메세지 패싱 방식(message passing)이다.

IPC in Shared-Memory Systems

  • 공유 메모리 방식은 생성자-소비자 문제(Producer-Consumer Problem)를 고려해야 한다. 협력 프로세스를 설명하기 위한 기본적인 패러다임으로, 이를 숙지해야 기본적인 통신이 가능하다.
  • 생성자-소비자 문제 : 생성자는 정보를 생산하고, 소비자는 정보를 소비하는 개념으로 두 가지 예를 들면,
    • 컴파일러가 어셈블리 코드를 생성하면, 어셈블러가 이를 소비하는 방식이 있다.
    • 웹 서버가 HTML 파일을 생성하면 브라우저가 이를 소비하는 방식이 있다.
  • 공유 메모리는 생성자와 소비자 프로세스가 공유하는 메모리 영역이다.
  • 공유 메모리를 사용할 때 기본적으로 생성자와 소비자는 동시성을 지니며 돌아간다.
  • 버퍼를 사용해 정보를 공유하며 생성자는 버퍼를 채우고 소비자는 버퍼를 비우는 방식으로 진행된다.
    • 버퍼가 가득 차면 생성자는 wait() 시스템 콜을 진행하며 소비자는 이를 소비한다.
    • 버퍼가 비어있으면 소비자는 wait() 시스템 콜을 진행하며 생성자는 버퍼를 채운다.
// IPC in Shared-Memory Systems

#define BUFFER_SIZE 10

typedef struct {
	. . .
} item;

item buffer[BUFFER_SIZE];
int in = 0;
int out = 0;

item next_produced;

while(true) {
	/* produce an item in next_produced */
    while(((in + 1) % BUFFER_SIZE) == out);
    
    buffer[in] = next_produced;
    in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
}

item next_consumed;

while(true) {
    while(in == out); /* do nothing */
    
	next_consumed = buffer[out];
    out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
    
    /* consume the item in next_consumed */
}
  • 공유 메모리 방식은 프로세스들이 메모리 영역을 공유해야 하며, 버퍼 관리, 메모리 접근 및 조작 등을 프로그래머가 직접 명시해주어야 한다는 단점이 있다.
  • 공유 메모리 방식을 많이 사용하진 않지만, Prosumer 와 같이 생산과 동시에 소비까지 하는 프로세스의 경우 수백명이 동시에 사용하면 메세지 파싱 방식으론 힘들 수 있기 때문에 프로그래머가 직접 관리하기도 한다.

IPC in Message-Passing Systems

  • O/S는 협력 프로세스를 위해 메세지 패싱을 통한 커뮤니케이션 방식을 지원한다.
  • 메세지 패싱을 위해 두 가지 명령어가 존재한다.
    send(message), receive(message)
message next_produced;

while(true) {
	/* produce an item in next_produced */
	send(next_produced);
}

message next_consumed;
while(true) {
	receive(next_consumed);
    /* consume the item in next_consumed */
    /* in = out 이런 것을 O/S가 처리해주어 편리하다. */
}
  • 만약 P, Q 프로세스가 소통하길 바란다면 서로에게 메세지를 보내고 받을 때 링크가 필요한데, 이 링크를 연결할 수 있는 방법이 여러 개 있다.
    • direct or indirect
    • synchronous or asynchronous
    • automatic or explicit buffering
  • direct communication
    • direct 방식은 통신하고자 하는 상대방이 누구인지 명확하게 알 수 있을 때, 즉 받는 사람과 보내는 사람의 이름을 알고 있을 때 사용한다.
    • send(P, message), receive(Q, message)
    • 상대방이 누구인지 명시했으므로 링크는 자동으로 생성된다.
    • 두 프로세스 간 링크는 하나만 존재한다.
  • indirect communication
    • indirect 방식은 매개체가 필요하며, 이는 port 라는 이름으로 잘 알려져 있다.
    • 포트는 프로세스가 메모리를 보관하거나 삭제하는 공간이다.
    • send(P, port), receive(Q, port)
    • 두 프로세스가 같은 공유 포트를 가질 때 링크가 설정된다.
    • 두 개 이상의 프로세스 할당이 가능하다.
    • 여러 개의 다른 링크가 존재할 수 있다.
    • O/S 에서는 프로세스가 포트를 생성하고, 포트에 메시지를 전송하고 받을 수 있게 설정하고, 포트를 삭제할 수 있게 메커니즘을 제공해야 한다.

  • 또한 메세지 패싱 방식을 사용할 때 여러가지 옵션을 줄 수 있다.
    • Blocking send : 보내는 프로세스는 메세지를 받을 때 까지 블락된다.
    • Non-blocking send : 보내는 프로세스는 메세지를 보내고 다음 할 일을 진행한다.
    • Blocking receive : 받는 프로세스는 메세지를 사용할 수 있을 때까지 블락된다.
    • Non-blocking receive : 받는 프로세스는 유효 메세지 혹은 null 메세지를 계속해서 검색한다.

Examples of IPC Systems

  • Shared Memory : POSIX Shared Memory
    유닉스에서 사용하며 O/S 표준화를 시도하였다.
  • Message Passing : Pipes
    유닉스의 초기 IPC 메커니즘 중 하나이다.

POSIX shared memory

  • 공유 메모리 영역이 파일과 연결하는 메모리 매핑 파일을 이용해 구성되어 있다.
  • 하드웨어에 파일을 생성하는 것이 아니라 메모리에 파일을 생성하여 속도를 올린다.
// Producer

int main() {
	const int SIZE = 4096;
	const char *name = "OS";
	const char *message_0 = "Hello, ";
	const char *message_1 = "Shared Memory!\n";
	int shm_fd;     // the file descriptor of shared memory
	char *ptr;      // pointer to shared memory
    
	/* create the shared memory object */
	shm_fd = shm_open(name, O_CREAT | O_RDWR, 0666); 
    
    /* configure the size of the shared memory */
    ftruncate(shm_fd, SIZE); // 4096 byte 씩 읽고 쓰기
	
    /* map the shared memory object */
    ptr = (char *)mmap(0, SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);
	
    /* write to the shared memory */
	sprintf(ptr, "%s", message_0); 
    ptr += strlen(message_0); 
    sprintf(ptr, "%s", message_1); 
    ptr += strlen(message_1);
	return 0; 
}
// Consumer

int main() {
	const int SIZE = 4096;
	const char *name = "OS";

	int shm_fd;     // the file descriptor of shared memory
	char *ptr;      // pointer to shared memory
    
    /* create the shared memory object */
	shm_fd = shm_open(name, O_RDONLY, 0666);

	/* map the shared memory object */
	ptr = (char *)mmap(0, SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0); 
    
    /* read from the shared memory object */
	printf("%s", (char *)ptr);
    
    /* remove the shared memory */
    shm_unlink(name);
    return 0;
    
    /* 첫 번째 실행 -> Hello, Shared Memory
       두 번째 실행 -> Segmintation Fault (포인트가 뒤로 밀려 쓰레기값 출력) */
}

Pipes

  • 두 프로세스 통신을 위한 통로 역할을 수행한다.
  • Shared Memory 에서는 일일이 open, write, read, close 등을 수행하며 부담이 갔던 단점을 보완한 방법이다.
  • Pipe 를 구성할 때는 4가지 이슈가 존재한다.
    • 단방향(unidirectional) 인지, 양방향(bidirectional) 인지?
      (양방향 통신을 사용할 때는 서로 통신을 진행하다가 충돌이 일어날 수 있는 가능성 있음)
    • 양방향 통신을 구성한다면, half-duplex 인지 full-duplex 인지?
      (half-duplex(무전기), full-duplex(전화기) 로 대입하여 생각하면 편리)
    • 부모-자식과 같이 프로세스 사이에 명확한 관계가 있어야 하는지?
    • 파이프에서 네트워크를 통해 통신할 수 있는지?
  • Ordinary pipes(평범한 파이프)
    • 일반적으로 부모 프로세스가 파이프를 생성하면 자식 프로세스가 통신을 위해 이를 사용한다.
    • 단방향 통신만 가능하며, 양방향 통신을 원한다면 두 개의 파이프를 생성하면 된다.
    • 일반적으로 유닉스 시스템에서 파이프를 구성할 때 fd[0] 의 경우 읽기 전용, fd[1]의 경우 쓰기 전용으로 구성한다.
  • Named pipes
    • 부모-자식 관계를 넘어 여러 관계 형성이 가능하다.

Communication in Client-Server Systems

  • 일반적으로 클라이언트-서버 시스템을 구축할 때 Socket을 사용하는 전략과 RPCs를 사용하는 전략이 존재한다.

Socket

  • 통신을 위해 endpoint 를 정의한다.
  • port 번호와 연결된 IP 주소로 식별된다.

public class DateServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        ServerSocket server = new ServerSocket(6013);
        /* Now listen for connections */
        while (true) {
            Socket client = server.accept();
            PrintWriter pout = new PrintWriter(client.getOutputStream(), true);

            /* write the Date to the socket */
            pout.println(new java.util.Date().toString());

            /* close the socket and resume listening for connections */
            client.close();
        }
    }
}


public class DateClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        /* make connection to server socket */
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 6013);
        InputStream in = socket.getInputStream();
        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(in));

        /* read date from the socket */
        String line = null;
        while ((line = br.readLine()) != null)
            System.out.println(line);

        /* close the socket connections */
        socket.close();
    }
}

RPC (Remote Procedure Call)

  • 원격지 함수를 호출하는 방법이다.
  • 클라이언트는 로컬에서 프로시저를 호출하는 것처럼 원격 호스트에서 프로시저를 호출한다.
  • 클라이언트 측에서 stub 을 제공하여 통신이 발생할 때 세부 정보를 숨긴다.
  • 클라이언트 측 stub은 서버를 찾고 마샬링(데이터 직렬화)된 매개변수를 전송한다.
  • 서버 측 stub은 메세지를 받고, 마샬링된 매개변수를 압축 해제하고 서버에서 요청한 프로시저를 수행한다.
  • 복잡하고 어려운 방법이다.
    만약 프로시저를 호출하는데, 한 컴퓨터는 64bit에 little-endian 방식을 사용하고, 다른 컴퓨터는 32bit에 big-endian 방식을 사용한다면, 어떻게 데이터를 주고받을 것인지 생각해야 한다.
  • IPC는 내부에서 프로세스끼리 통신하던 반면, RPC는 네트워크에서 컴퓨터끼리 통신한다. 즉 확장된 개념이다.
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