09. 프로세스간 커뮤니케이션(IPC 기법)

• 프로세스간 통신이 왜 필요할까?

  • 성능을 높이기 위해 여러 프로세스를 만들어 동시실행

  • 이 때 프로세스간 상태 확인 및 데이터 송수신 필요

• 프로세스간 통신 예제

  • fork()시스템콜

    • fork()함수로 프로세스 자신을 복제해서 새로운 프로세스로 만들 수 있음

      • 부모 프로세스, 자식 프로세스

    • 프로세스를 fork()해서 여러 프로세스를 동시 실행 할 수 있음

      최근 CPU안에 코어가 8개 되는 경우도 많고 각 프로세스를 각 코어에서 동시 실행 가능하기 때문(병렬 처리 가능)

  • 여러 프로세스 동시 실행하기 예

    • 1~10000까지 더하기

      • fork()함수로 10개의 프로세스를 만들어서 1~1000,1001~2000,... 더하기

        (core가 10개 있다고 생각하면 병렬로 각 프로세스를 처리 가능)

      • 각각 더한 값을 모두 합하면 더 빠르게 동작 가능

    • 단, 이 때 각 프로세스가 더한 값을 수집해야 하므로, 프로세스 간 통신 필요

      CPU 병렬 처리 가능하면 빠른 대응 가능 각 프로세스 제어 및 상태 정보 교환을 위해 프로세스간 통신필요

• 프로세스간 공간은 완전히 분리되어있음

  • 하나의 프로세스는 총 4GB(가상주소)

    • 0~3GB: 사용자모드(user mode)

    • 3~4GB: 커널모드

  • 각 프로세스의 사용자 공간 끼리는 서로 접근이 불가능하지만(stack, heap, bss, data,code)

  • 커널 공간은 실제 물리 메모리에 동일한 공간을 공유할 수 있게끔 만들어져 있음.

  • 가상주소 != 물리주소

  • 더 깊은 내용은 가상 메모리 참조

• InterProcess Coummunication(IPC)기법

  원칙적으로는 프로세스 간 공간에 쉽게 접근 불가능 프로세스 데이터나 코드가 바뀌면 위험하니까~~! 따라서, 원칙상 프로세스는 다른 프로세스의 공간에 직접 접근 불가능! 프로세스 간 어떻게 커뮤니케이션을 할 수 있을까? 프로세스간 통신 방법을 제공! => IPC 기법

  • 한 가지 방법: file 사용

    • 간단히 다른 프로세스에 전달할 내용을 file에 쓰고, 다른 프로세스가 해당 파일을 읽으면 됨

    • 다만, file을 사용하면 실시간으로 원하는 프로세스에 데이터 전달 어려움

      • 해당 프로세스가 파일을 읽어야 하는데, 실시간으로 읽기 어려우니까.

      • 저장 매체에 다녀와야 하니까 오래 걸림

    • (커널 공간 사용하지 않음)

  • 그래서 보다 다양한 IPC 기법이 있음

    • 핵심: 커널 공간을 사용하는 것(물리 메모리에 있음)

    • file을 사용하는 것보다 빠른편

    • pipe

    • message queue

    • shared memory

    • signal

    • semaphore

    • socket

    • ...

[정리]

• 여러 프로세스 동시 실행을 통한 성능 개선, 복잡한 프로그램을 위해 프로세스 간 통신 필요

• 프로세스 간 공간 완전 분리

• 프로세스 간 통신을 위해 특별한 기법 필요

  • IPC(InterProcess Communicate)

• 대부분의 IPC기법은 결국 커널 공간을 활용하는 것

  • 이유: 커널 공간은 공유하기 때문

각 IPC 기법 이해하기

• pipe

  • 기본 파이프는 단방향 통신[부모(write) => 자식(read)]

  • fork() 실행 다음 코드부터

    • 부모 프로세스

    • 자식 프로세스(부모로 부터 복사한 프로세스)

    • ProcessID값이 다름(부모: 실제 프로세스 ID, 자식: 0)

  • fork()로 자식 프로세스 만들었을 때, 부모와 자식 간의 통신

  • 실제 데이터는 kernel 위치에 있음

• message queue

  • 기본은 FIFO정책으로 데이터 전송

  • msgsnd()로 메세지를 넣고

  • msgrcv()로 해당 주소의 메세지를 읽어옴.

  • 동일한 key값을 통해서 각 프로세스를 데이터 송수신을 할 수 있다.

  • 먼저 넣은 데이터가 먼저 읽힌다.

  • 부모/자식 관계는 없음

  • 양방향가능

• 공유 메모리(shared memory)

  • 노골적으로 kernel space에 메모리 공간을 만들고 해당 공간을 변수처럼 쓰는 방식

  • 공유 메모리 key를 가지고 여러 프로세스가 접근 가능

    • shmget()으로 공유 메모리 생성

    • shmat()으로 공유메모리 주소 얻기

    • shmaddr() 읽고, 쓰기 가능.

  • 커널 공간에 아예 메모리 공간을 하나 파는 개념

• signal(가장 많이 사용됨!)

  • 유닉스에서 30년 이상 사용된 전통적인 기법

  • 커널 또는 프로세스에서 다른 프로세스에 어떤 이벤트가 발생되었는지 알려주는 기법

    • (커널 <=> 프로세스)

    • (프로세스 <=> 프로세스)

  • 시그널은 미리 정의되어 있는 이벤트들

    (기본 OS (Linux, Unix) 에서 이미 정의되어 있음)

    • SIGKILL

    • SIGALARM

    • SIGSTP

    • ....

    • 특별한 동작을 정의할 수도 있다.

      터미널에 kill -l 입력하면 이미 정의된 시그널 종류를 볼 수 있음.

  • 프로세스 관련 코드에 관련 시그널 핸들러를 등록해서 해당 시그널 처리 실행

  • PCB에서 해당 프로세스가 block또는 처리 해야 하는 시그널 관련 정보 관리

  • 커널 모드에서 사용자 모드로 전환 시 시그널 사용.

• socket

  • 네트워크 통신을 위한 기술

  • 기본적으로는 클라이언트와 서버 등 두 개의 다른 컴퓨터 간에 네트워크 기반 통신을 위한 기술

  • 하나의 컴퓨터 안에서, 두 개의 프로세스 간에 통신 기법으로도 사용 가능