[Computer Science][Operating System] 🚀 IPC(Inter Process Communication)

프로세스는 독립적으로 실행된다. 즉, 독립적이라는 것은 다른 프로세스에게 영향을 받지 않는다는 의미이다. (스레드는 프로세스 안에서 자원을 공유하므로 영향을 받는다.)

이러한 독립적인 구조를 가진 프로세스 간의 통신이 필요할 때가 있다. 이를 가능하게 해주는 것이 바로 IPC 통신이다. 프로세스는 커널이 제공하는 IPC 설비를 이용하여 서로 통신할 수 있게 된다.

커널이란? 🛠️

운영체제의 핵심적인 부분으로, 다른 모든 부분에 여러 기본적인 서비스를 제공한다.

IPC 설비의 종류는 여러 가지가 있으며, 필요에 따라 적절한 IPC 설비를 선택해서 사용해야 한다.

IPC 종류 🌟

1. 익명 PIPE

   파이프는 두 개의 프로세스를 연결하는 데 사용되며, 하나의 프로세스는 데이터를 쓰기만 하고 다른 하나는 데이터를 읽기만 할 수 있다.
   한쪽 방향으로만 통신이 가능한 반이중 통신이라고 불린다.
   따라서 양쪽으로 송수신을 하고 싶으면 2개의 파이프를 만들어야 한다.
   매우 간단하게 사용할 수 있는 장점이 있으나, 전이중 통신을 위해 2개를 만들어야 할 때는 구현이 복잡해진다.

2. Named PIPE (FIFO)

   익명 파이프는 통신할 프로세스를 명확히 알 수 있는 경우에 사용된다. (부모-자식 프로세스 간 통신처럼)
   Named 파이프는 전혀 모르는 상태의 프로세스들 사이에서 통신할 때 사용된다.
   즉, 익명 파이프의 확장된 형태로 부모 프로세스와 무관한 다른 프로세스도 통신이 가능한 것이다. (통신을 위해 이름 있는 파일을 사용)
   그러나 Named 파이프 역시 읽기/쓰기 동시에 불가능하므로, 전이중 통신을 위해서는 익명 파이프처럼 2개를 만들어야 한다.

3. Message Queue

   입출력 방식은 Named 파이프와 동일하다.
   다른 점은 메시지 큐는 파이프처럼 데이터의 흐름이 아니라 메모리 공간이다.
   즉, 파이프는 1:1로 데이터를 쓰고 동시에 읽어드리는 동기적인 데이터 흐름 구조라면, 큐는 적재해놓았다가 필요할 때 비동기적으로 빼내서 쓰는 큐 형태의 메모리 공간이다.
   사용할 데이터에 번호(식별번호)를 붙이면서 여러 프로세스가 동시에 다른 식별번호의 데이터를 쉽게 다룰 수 있으며, 같은 식별번호의 동시 접근으로부터 보호된다.

4. 공유 메모리

   파이프, 메시지 큐가 통신을 이용한 설비라면, 공유 메모리는 데이터 자체를 공유하도록 지원하는 설비이다.
   프로세스의 메모리 영역은 독립적으로 가지며, 다른 프로세스가 접근하지 못하도록 반드시 보호되어야 한다. 그러나 다른 프로세스가 데이터를 사용해야 하는 상황도 필요할 수 있다.
   파이프를 이용해 통신을 통해 데이터 전달이 가능하지만, 스레드처럼 메모리를 공유하도록 해준다면 더욱 편리하다.
   공유 메모리는 프로세스 간 메모리 영역을 공유해서 사용할 수 있도록 허용한다.
   프로세스가 공유 메모리 할당을 커널에 요청하면, 커널은 해당 프로세스에 새로운 메모리 공간(별개의 공간)을 할당해주고, 이후 모든 프로세스는 해당 메모리 영역에 접근할 수 있게 된다.
   중개자 없이 곧바로 메모리에 접근할 수 있어 IPC 중 가장 빠르게 작동한다.

5. 메모리 맵

   기본적으로 파일을 다루는 방식에서는 파일의 복사본을 버퍼 등에 불러와서 파일의 복사본을 만지고 이를 반영하는 방식으로 사용한다.
   메모리 맵은 공유 메모리처럼 메모리를 공유해준다. 메모리 맵은 공유를 할당받아온 공유 메모리에 열린 파일을 맵핑시켜서 공유하는 방식이다. (즉, 공유 매개체가 파일+메모리)
   파일을 맵핑할 때, 주소값을 매핑시켜서 파일에 직접 접근하는 식으로 이루어진다.
   주로 파일로 대용량 데이터를 공유해야 할 때 사용된다.

6. 소켓

   클라이언트-서버 모델을 기반으로 하는 IPC의 한 형태이다.
   소켓은 네트워크 상에서 데이터를 주고받는 종단점(endpoint)을 나타내는 추상 개념이다.
   네트워크 소켓 통신을 통해 데이터를 공유하며, 클라이언트와 서버가 소켓을 통해 통신하는 구조로 원격에서 프로세스 간 데이터를 공유할 때 사용된다.
   서버 측에서 통신에 사용할 소켓을 생성하고, 생성된 소켓을 특정 IP 주소와 포트 번호에 bind한다. 이렇게 바인딩된 소켓을 사용하여 클라이언트의 연결 요청을 listen(대기) 한다.
   클라이언트가 연결 요청을 보내면, 이 요청을 accept하여 클라이언트와의 통신을 수행한다.
   클라이언트 측에서는 소켓을 생성하고 서버가 바인딩한 IP 주소와 포트 번호로 연결 요청(connect)를 보낸다. 서버가 연결 요청을 수락하면 클라이언트와 서버는 데이터를 주고받을 수 있게 된다.

이러한 IPC 통신에서 프로세스 간 데이터를 동기화하고 보호하기 위해 세마포어와 뮤텍스를 사용한다. (공유된 자원에 한 번에 하나의 프로세스만 접근할 수 있도록 할 때)

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[1] GitHub - IPC(Inter Process Communication).md (https://github.com/gyoogle/tech-interview-for-developer/blob/master/Computer%20Science/Operating%20System/IPC(Inter%20Process%20Communication).md)
[2] velog - [운영체제] 프로세스와 스레드(feat.IPC) (https://velog.io/@tjdtn0219/%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C-%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%84%B8%EC%8A%A4%EC%99%80-%EC%8A%A4%EB%A0%88%EB%93%9Cfeat.IPC)
[3] 티스토리 - [IPC] Inter Process Communication - 미스터리의 IT 공부 일기 (https://mysterlee.tistory.com/104)
[4] 개발자 배씨 - [운영체제 8편] IPC란 무엇인가 - 개발자 배씨 - 티스토리 (https://baebalja.tistory.com/359)