[OS] 프로세스간 통신

💡 프로세스는 시스템내에서 독립적으로 실행되기도 하고 데이터를 주고받으며 협업하기도 한다. 프로세스 간 통신은 데이터를 주거나 받는 동작으로 이루어지며, 이는 쓰기 연산과 읽기 연산으로 간소화할 수 있다.

• 모든 통신에 관련된 연산은 open(), read(), write(), close() 구조이다.

1. 전역 변수, 파일을 사용하여 통신은, 운영체제의 도움없이 진행되는 통신 방식
2. 파이프, 소켓, 원격 프로시저 호출등은, 운영체제가 제공하는 통신 방식

1.1 프로세스간 통신의 개념

1. 프로세스 내부 데이터 통신: 하나의 프로세스 내에 2개 이상의 스레드가 존재하는 경우의 통신
   1. e.g. 전역 변수나 파일을 이용
2. 프로세스간 데이터 통신: 같은 컴퓨터에 있는 여러 프로세스끼리 통신
   1. 공용 파일, 파이프를 사용
3. 네트워크를 이용한 데이터 통신: 여러 컴퓨터가 네트워크로 연결되어있을 경우 통신
   1. 소켓, 원격 프로시저 호출을 사용
   2. 소켓을 사용하는 프로세스간 통신을 네트워킹 이라고 한다.

1.2 프로세스 간 통신의 분류

분류 방식	종류	예시
통신 방향	양방향 통신	일반적 통신, 소켓
	반양방향 통신	무전기
	단방향 통신	전역 변수, 파일, 파이프
통신 구현 방식	대기가 있는 통신(동기화)	파이프, 소켓
	대기가 없는 통신(비동기화)	전역 변수, 파일

• 반양방향 통신: 데이터를 양쪽 방향으로 전송할 수 있지만 동시 전송은 불가능하고 특정 시점에 한쪽 방향으로만 전송할 수 있는 구조
• 전역변수를 사용하는 통신 방식의 문제점은, 언제 데이터를 보낼지 받는 쪽에서는 모른다는 것이다.
  • 따라서 데이터를 받는 쪽에서 반복적으로 전역변수의 값을 점검해야한다.
  • 상태 변화를 살피기 위해 반복문을 실행하며 기다리는 것을 바쁜 대기(busy waiting)이라고 한다.
• 바쁜 대기 문제를 해결하기 위해서 동기화(synchronization)를 사용한다.
  • 동기화를 사용하면 바쁜대기를 하지 않아도 데이터가 도착했음을 운영체제가 알려준다.
  • e.g. 메신저에서 메세지가 도착했다고 알려주는 알림

1.2.2 동기화 통신 vs 비동기화 통신

• 대기가 있는 통신
  • 동기화를 지원하는 방식
  • 데이터를 받는 쪽은 데이터가 도착할 때까지 자동으로 대기 상태에 머물러있다.
  • open(), close() 함수를 사용한다.
    • open(): 키(descriptor)를 받아 작업을 시작
    • close(): 자원을 다 사용하면 키를 반납
• 대기가 없는 통신
  • 동기화를 지원하지 않는 방식
  • 데이터를 받는 쪽은 바쁜 대기를 사용하여 데이터의 도착 여부를 확인한다.

1.2.3 전역 변수를 이용한 통신

• 공동으로 관리하는 메모리를 사용하여 데이터를 주고 받는다.
• 데이터를 보내는 쪽에서는 전역변수나 파일에 값을 쓰고, 데이터를 받는 쪽에서는 전역변수의 값을 읽는다.
• 직접적인 관련이 있는 프로세스간에 사용한다.
  • e.g. 부모 프로세스가 전역 변수를 선언한 후 자식 프로세스를 만들면 부모 프로세스와 자식 프로세스가 통신을 할 수 있다.
• 바쁜 대기(busy waiting를 한다.

1.2.4 파일을 이용한 통신

💡 파일 입출력 코드는 크게 open, write, read, close 로 이루어져 있다.
1. 부모-자식 관계 프로세스간 통신에 많이 사용된다.
2. 동기화를 제공하지 않는다.

• 파일 내의 데이터는 한줄로 길게 저장된다. — 순차 파일(Sequential File)
• 순차 파일에 접근 하는 방식을 순차적 접근(Sequential Access)이라고 한다.
• 운영체제가 동기화를 지원하지 않기 때문에, 부모-자식 프로세스 관계라면, 부모 프로세스가 wait()을 사용하여 자식 프로세스가 작업을 끝낼 때까지 기다렸다가 작업을 시작한다.
• read()와 write()가 파일 기술자를 공유한다. 따라서 read()를 하건 write()를 하건 상관없이 기술자가 전진하여 동기화를 할 수 없다.

파일 열기

• open()을 이용하여 사용하고자 하는 파일이 있는지, 파일이 있다면 쓰기 권한이 있는지 확인
  • open(”test.txt”, O_RDWR)
  • O_RDWR: 읽기/쓰기 작업
  • O_RDONLY: 읽기 전용
• 정상적으로 파일을 사용할 수 있다면, open()은 fd를 반환
  • fd(File Descriptor)는 어떤 파일에 접근할 수 있는 권한으로, 파일 기술자라고 한다.
  • 어떤 파일에 쓰기/읽기 연산을 하려면 먼저 fd를 얻어야하며 작업이 끝나면 fd를 돌려줘야한다.

읽기/쓰기 연산

• write(fd, ‘Test’, 5) : 파일에 test를 쓰라는 뜻이다. Test의 크기가 5B이기 때문에 5를 명시
• read(fd, buf, 5) : 파일에서 5B를 읽어 변수 buf에 저장

파일 닫기

• close(fd): fd가 가리키는 파일을 닫는다.

1.2.5 파이프를 이용한 통신

💡 파이프는 운영체제가 제공하는 동기화 통신 방식으로 단방향이다. 파이프는 이름 있는 파이프와 이름 없는 파이프로 나뉜다.

• 파이프로 양방향 통신을 하려면 파이프 2개를 사용해야한다.
• 파이프에 쓰기 연산을 하면 데이터가 전송되고, 읽기 연산을 하면 데이터를 받는다.
• read()와 write() 의 기술자가 따로 존재한다. 따라서 동기화가 가능하다.
  • 파일 기술자를 fd[2]와 같이 2개의 원소를 가진 배열로 정의하는데, 원소 하나는 읽기용이고 하나는 쓰기용이다.

대기 상태

1. 프로세스B가 파이프 1에 대해 읽기 연산을 수행했는데 프로세스 A가 파이프1에 아직 쓰기 연산을 하지 않았다면 프로세스B는 대기 상태가 된다.
2. 대기 상태는 프로세스 A가 파이프 1에 데이터를 쓰는 순간 자동으로 풀려 동기화가 이루어진다.
3. 프로세스B는 바쁜 대기를 하지 않아도 된다.

이름 없는 파이프

• 일반적인 파이프
• 부모-자식 관계와 같이 서로 관련 있는 프로세스 간 통신에 사용

이름 있는 파이프

• FIFO라 불리는 특수한 파일을 이용하며 서로 관련 없는 프로세스 간 통신에 사용

1.2.5 소켓을 이용한 통신

💡 여러 컴퓨터에 있는 프로세스간 통신은 네트워킹이라고 한다. 네트워킹은 원격 프로시저 호출이나 소켓을 이용한다. 소켓은 프로세스 동기화를 지원하고 양방향 통신이 가능하다.

1. 소켓은 하나만 사용해도 양방향 통신이 가능하다.
   1. 파이프의 경우, 양방향 통신을 하기 위해서는 파이프를 2개 사용해야 한다.

소켓을 사용하여 다른 컴퓨터와 통신을 하려면,

1. IP 주소로 컴퓨터의 위치를 파악한다.

2. 원격지의 시스템내 여러 프로세스중 어떤 프로세스와 통신을 할지 결정한다.

   1. 한 컴퓨터내에는 여러 프로세스가 존재한다.
   2. 이 때 사용하는 구분 번호를 포트 번호(Port Number)라고 한다.

3. 통신하고자 하는 프로세스는, 소켓에 쓰기 연산을 하면 데이터가 전송되고 읽기 연산을 하면 데이터를 받는다.

클라이언트

1. socket()
2. connect()
3. read()/write()
4. close()

서버

1. socket()
2. bind()
   1. 소켓을 생성한 후, bind()를 사용하여 특정 포트에 새로운 소켓을 등록한다.
   2. 동시에 여러 클라이언트에 서비스를 하기 위해 하나의 포트번호에 여러개의 소켓을 생성한다.
      1. 소켓을 하나만 생성한다면 단 한사람에게 서비스를 할 수 있을 것이다.
3. listen()
4. accept()
   1. 클라이언트의 connect(), 즉 연결 요청을 기다리다가 여러명의 클라이언트가 동시에 connect를 하는 경우 그중 하나를 골라서 작업을 한다.
   2. accept()가 되면 소켓 기술자가 생성되고 작업이 시작된다.
5. read()/write()
6. close()
   1. 작업이 끝나면, 소켓 기술자를 닫는다. 이후에 계속 클라이언트를 받아서 작업해야하기 때문에 무한루프를 돈다.

원격 프로시저 호출

• 다른 컴퓨터에 있는 함수를 호출하는 것
• 소켓을 이용하여 구현
• e.g. 자바같은 객체 지향 언어에서 다른 컴퓨터에 있는 객체의 메소드를 불러와 사용