[운영체제] IPC 기법

Inter-process Communication(IPC)

프로세스 간에 통신하여 상호 커뮤니케이션을 하는 기법이에요. 프로세스끼리 직접적으로 '대화'하는 방법은 없어요. 왜 그렇냐면 프로세스들이 서로 공간을 쉽게 접근하면 프로세스의 데이터나 코드가 다른 프로세스에 의해 쉽게 바뀔 수 있기 때문이죠. 제가 만든 작고 소중한 코드가 나쁜 해커놈들이 만든 프로그램으로 인해 조작되서 중요한 데이터를 뺏기면 마음도 아프고 그렇겠죠? 이를 막기 위해 프로세스는 통신을 직접적으로 할 수가 없고, 서로의 공간을 접근할 수가 없어요. 그래도 프로세스 간의 커뮤니케이션은 필요하기 때문에 나온 기법이라 할 수 있어요.

통신(커뮤니케이션)이 필요하다는데, 왜죠?

성능을 높이기 위해 존재해요. 어떤 로직을 하나의 프로세스로만 수행하는 대신, 여러 프로세스가 수행해서 보다 빠른 성능을 기대할 수 있어요. 물론 이를 위해선 당연히 그 로직을 수행하는 과정에서 필요한 데이터들을 서로 공유할 수 있어야 하죠. 그래서 이러한 기법이 필요한거에요.

IPC 종류

종류는 다양하지만 주요한 것 몇가지만 뽑아 설명할게요.

1. File 사용

텍스트 파일txt(혹은 다른 포멧의 파일)을 통해 데이터를 주고 받는 것도 IPC 기법 중 하나에요. 물론 이 방식은 문제가 많아요.

이 방식은 실시간으로 직접 원하는 프로세스에 데이터 전달하는게 어렵기 때문이에요. 디스크에서 데이터 파일을 읽고, 프로세스에 적재load되는 과정에서 컨텍스트 스위칭Context-switching, 인터럽트Interrupt 등 여러 일을 처리해야 하기 때문이에요.

2. 파이프(Pipe)

단방향 통신, 즉 부모 프로세스 $\to$ 자식 프로세스에게 일방적으로 통신하는 기법이에요.

fork()를 통해 자식 프로세스를 만들고 나서 부모의 데이터를 자식에게 보내요.

예제

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 나눠짐
	if(pid > 0){ 							// 부모 프로세스는 pid에 실제 프로세스 ID가 들어감
		write(fd[1], msg, MSGSIZE); 		// fd[1]에 씀(write 파일 디스크립터)
	} else{ 								// 자식 프로세스는 pid가 0이 들어감
		nbytes = read(fd[0], buf, MSGSIZE); // fd[0]으로 읽음(read 파일 디스크립터)
		printf("%d %s\n", nbytes, buf);
		exit(0);
	}
	return 0;
}

3. 메시지 큐(Message Queue)

FIFO 정책으로 데이터가 전송되는 기법이에요

// A 프로세스
// key는 1234(예), msgflg는 옵션
msqid = msgget(key, msgflg);
msgsnd(msqid, &buf, buf_length, IPC_NOWAIT);

// B 프로세스
// key는 A에서 지정한 것과 동일하게 해야 해당 큐의 msqid를 얻을 수 있어요.
msqid = msgget(key, msgflg);
msgrcv(msqid, &rbuf, MSGSZ, 1, 0);

• msgget(key, msgflg) : key 값의 메시지 큐를 가져와요.
• msgsnd(msqid, &buf, buf_length, IPC_NOWAIT) : msgget의 ID를 통해 얻은 메시지 큐 ID에 버퍼를 push해요.
• msgrcv(msqid, &rbuf, MSGSZ, 1, 0) : msgget의 ID를 통해 얻은 메시지 큐 ID에 버퍼를 push해요.

파이프 vs. 메시지 큐

• 파이프는 부모-자식간 통신만 가능하지만 메시지 큐는 어떤 프로세스 간이라도 통신이 가능해요.
• 즉, 단방향과 양방향의 차이가 있어요.

4. 공유 메모리

그전에 리눅스의 메모리 공간 구조에 대해 알아봐요.

리눅스Linux는 프로세스 공간이 완전히 분리되어 있어요. 그리고 어떤 프로세스는 하나 당 4GB 공간을 관리하고 있고, 사용자 공간을 0 ~ 3GB 주소까지 지정하고 커널 공간을 3 ~ 4GB 주소까지 지정해요. 물론 이는 실제 물리 메모리RAM이 아닌 가상 메모리에요. 이에 대한 내용은 다음에 정리할게요 ㅎㅎ.

여기서 중요한 것은, 모든 프로세스가 커널 공간은 공유한다는 거에요. 그래서 리눅스는 커널 공간에서 프로세스 간 공유가 가능해요.

공유 메모리 기법은 커널 공간에 메모리 공간을 만들고, 해당 공간을 변수처럼 쓰는 방식이에요. 데이터를 버퍼에 넣어 처리하는 메시지 큐와 달리, 해당 메모리 주소를 변수처럼 접근해서 사용해요. 공유 메모리 key를 통해 여러 프로세스가 접근을 가능하게 해요.

// 1. 공유 메모리 생성 및 메모리 주소 얻기
shmid = shmget((key_t)1234, SIZE, IPC_CREAT|0666/* 접근권한*/));
shmaddr = shmat(shmid, (void*)0, 0);

// 2. 공유 메모리에 쓰기
strcpy((char*)shmaddr, "Linux Programming");

// 3. 공유 메모리 읽기
printf("%s\n", (char*)shmaddr);

5. 시그널(Signal)

가장 많이 사용하는 기법 중 하나에요. 실은 IPC 기법을 위해 존재하는 친구는 아닌데 이를 활용해 IPC 활용은 가능해요.

커널 혹은 프로세스에서 다른 프로세스에 이벤트가 발생되었는지를 알려주는 기법이에요. 프로세스 관련 코드에 관련 시그널 핸들러를 등록해서, 해당 시그널 처리를 실행하는 방식으로 공유해요.

작동 매커니즘
1. 시그널 무시
2. 시그널 Block(블록을 풀면 프로세스에 해당 시그널을 전달해요)
3. 등록된 시그널 핸들러로 특정 동작 수행
4. 등록된 시그널 핸들러가 없으면 커널에서 기본 동작 수행

주요 시그널

운영체제에서 정의되요. 보통 한 64개정도 되요. CLI에서 kill -l 명령어로 확인 가능해요(리눅스, Mac OS 기준). 참고로 제 노트북에서 이 명령어 쳤을 때 아래와 같이 나왔어요.

몇 가지 주요 시그널에 대해 설명드리자면,

1. SIGKILL : 프로세스를 죽여요. 슈퍼 관리자가 사용하는 시그널로, 어떤 경우든 프로세스를 죽여요.
2. SIGALRAM : 알람을 발생시켜요.
3. SIGSTP : 프로세스를 멈춰요 $\to$ Ctrl+Z
4. SIGCONT : 멈춘 프로세스를 실행시켜요.
5. SIGSEGV : 프로세스가 다른 메모리 영역을 침범함을 알려요.
6. SIGUSR1 & 2: 기본 동작이 정의 안된 시그널이에요. 프로그램으로 프로세스를 만들 때, 프로그램에서 특정 시그널은 기본 동작 대신 특별한 동작을 하도록 정의를 할 수 있어요. 위 그림에 맨 마지막 두개를 보시면 아시듯이, Mac OS에선 USR1, USR2로 정의되어 있어요.

예제

static void signal_handler(int signo){
	printf("Catch SIGINT!\n");
	exit(EXIT_SUCCESS);
}

// 시그널 핸들러 함수 호출
int main(){
	// SIGINT를 받으면 signal_handler 함수 호출
	if(signal(SIGINT, signal_handler) == SIG_ERR){
		printf("Can't catch SIGINT!\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	for(;;){
		pause();
	}
	return 0;
}

// 시그널 핸들러 무시
int main(){
	// SIGINT를 받으면 무시
	if(signal(SIGINT, SIG_IGN) == SIG_ERR){
		printf("Can't catch SIGINT!\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	for(;;){
		pause();
	}
	return 0;
}

시그널과 프로세스

PCB에 해당 프로세스가 블록 또는 처리해야하는 시그널도 관리해요.

1. pending : 처리를 대기 중인 시그널
2. sigpending : 받은 시그널 유무
3. blocked : 블록된 시그널 $\to$ 비트마스크 형식이에요.
4. sig : 각 시그널에 대한 동작 처리에 대한 핸들러

6. 소켓(Socket)

마찬가지로 많이 쓰이는 기법이자, 본래 목적이 IPC로 활용하기 위한 것은 아니지만, 충분히 활용이 가능해요.

본래 소켓은 네트워크 통신을 위한 기술이에요. 기본적으로 클라이언트와 서버 등 두 개의 다른 컴퓨터 간의 네트워크 기반 통신을 위한 기술이에요. 네트워크 디바이스를 사용할 수 있는 시스템 콜이기도 해요. 소켓은 이렇게 클라이언트와 서버 뿐만 아니라, 하나의 컴퓨터 안에서 두 개의 프로세스 간의 통신 기법으로 활용하는 경우도 더러 있어요.

소켓을 사용하면 로컬 컴퓨터간의 통신 시 이렇게 계층을 타고 내려가면서 송신을 하고, 아래 계층부터 위로 올라가서 대상 프로세스가 수신을 하는 방식을 취해요.

정리는 여기까지에요. 위 IPC 기법에 대한 예제는 제 깃허브에 올려놨으니 보시면 될거에요. 나름 주석 열심히 작성했어요 ㅎㅎㅎ.