프로세스간 커뮤니케이션(IPC)

프로세스간 커뮤니케이션

• IPC (Inter Process Communication)
• 프로세스 들이 서로의 공간을 쉽게 접근할 수 있다면 프로세스 데이터/코드가 바뀔 수 있으니 프로세스는 다른 프로세스의 공간을 접근 할 수 없다.
• 프로세스간의 통신방법이다.
• 왜 필요 할까?
  • 성능을 높이기 위해 여러 프로세스를 만들어서 동시 실행 (CPU core 8~16개에서 동시에 실행 후 모아서 작업하기)
    • 프로세스간 상태 확인 및 데이터 송수신이 필요하다.
  • fork() 시스템콜
    • 본인과 똑같은 프로세스를 하나더 생성한다. 원본이 부모이고 생선된것이 자식이다.
    • 프로세스를 fork()해서 여러 프로세스를 동시에 실행시킬 수 있다. (병렬 처리)
  • 1~10000까지 더하기
    • fork()함수로 10개 프로세스 만들어서 각각 1~1000, 1001~2000... 더하기
    • 각각 더한값을 모두 합하면, 더 빠르게 동작 가능
    • 각 프로세스가 더한 값을 수집해야 하므로, 프로세스간 통신 필요
  • 웹서버
    • 서버 컴퓨터에 요청을 하면 각 요청에 응답을 해준다.
    • 얼마나 빠르게 응답을 하는지가 성능의 지표가 되는데 엄청나게 많은 요청이 온다.
    • 1개의 CPU면 응답이 매우 느리기 때문에 각각의 요청이 각각의 CPU에서 프로세스를 만들어서 빨리 응답해주는게 빠르다.
    • 여기서 변화량을 각 CPU끼리 주고 받아야 한다.
• 파일을 사용한 커뮤니케이션
  • 프로세스간 직접적인 코드 전달은 안되지만 저장 공간은 공유한다. (shared.txt (file))
  • 간단히 다른 프로세스에 전달할 내용을 파일에 쓰고, 다른 프로세스가 해당 파일을 읽으면 된다.
  • file을 사용하면, 실시간으로 직접 원하는 프로세스에 데이터 전달이 어렵다.
    • 계속 읽고 업데이트 하고 읽기엔 너무 효율이 좋지 않다.
• 대부분의 IPC 기법은 결국 커널 공간을 활용한다.
  • 커널 공간은 프로세스 끼리 공유하기 때문이다.

실제 프로세스

• 리눅스
• 하나의 프로세스는 4GB이다. (가상주소)
  • 가상주소
    • 실제 매모리에 있는 공간과는 다르다.(프로세스의 관점에서 사용하는 주소이며, 운영체제가 제공하는 가상 주소 공간에 대한 주소이다. )
    • 가상 주소를 물리주소로 바꾸는 기술이 있다.
  • 지정할 수 있는것은 0~4GB다.
  • 3~4GB는 운영체제 코드가 들어가는 공간이다. (1GB) 커널공간
  • 0~3GB가 프로그램이 사용하는 공간이다.
  • 사용자 모드에서는 커널 공간 접근 불가
  • 전체 공간중 일부만 실제 매모리에 존재하게 됨
  • 커널 공간은 물리메모리 하나에서 공유하게 됨 (프로세스 A,B의 운영체제 코드들이 공유가 됨)

IPC 기법

1. Message Queue

   • 큐니까, 기본 FIFO 정책으로 데이터 전송한다.
   • A프로세스

   //특별한 key를 부여해서 msqid라는 message 큐를 만든다.(id발급 받음)
   msqid = msgget(key, msgflg) // key는 1234, msgflg는 옵션
   //sbuf에다가 데이터를 넣어 놓고 보낸다.  
   msgsnd(msqid, &sbuf, buf_length, IPC_NOWAIT) //send

   • B프로세스

   //A프로세스와 같은 Queue ID를 발급 받는다.
   msqid = msgget(key, msgflg) // key는 동일하게 1234로 해야 해당 큐의 msqid를 얻을 수 있음
   //0으로 채워진 공간인 sbuf에 A에서 보낸 데이터를 받는다.
   msgrcv(msqid, &sbuf, buf_length, MSGSZ, 1, 0) //receive

   • 부모 자식 관계가 필요 없이, 어느 프로세스 간에라도 key값을 알면 주고 받을 수 있다.
   • queue 2개 만들어서 각각 쓰면 쌍방향 통신도 가능하다.( key값이 다른 queue 2개 )

2. Pipe

   char* msg = "Hello Child Process!";
   int main() {
       char buf[255];
       int fd[2], pid, nbytes;
       //파이프가 정상적으로 생성이 되면 특정한 주소값을 fd에 두개 준다. 
       if (pipe(fd) < 0) // pipe(fd)로 파이프 생성
           exit(1);//정상적으로 작동하지 않으니 종료
       pid = fork(); //이 함수 실행 다음 코드부터 부모/자식 프로세스로 나뉘어짐
       if (pid > 0) { //부모 프로세스는 pid에 실제 프로세스 ID가 들어감
           //0이 아니면 부모다
           write(fd[1], msg, MSGSIZE); //fd[1]에 작성된 주소에 msg를 작성한다. 
           exit(0);
       }
       else {//자식 프로세느는 pid가 0이 들어감
           //0이다 == 자식이다
           nbytes = read(fd[0], buf, MSGSIZE); // buf공간에 MSGSIZE만큼 부모 데이터에 써진 msg가 넘어온다 (통신이 된다!)
           printf("%d %s\n", nbytes, buf);
           exit(0);
       }
       return 0;
   }

   • 기본 파이프는 단방향 통신
   • fork()로 자식 프로세스 만들었을 때, 부모와 자식간의 통신이 된다. (부모→자식)
   • 부모의 fd[0]과 자식의 fd[1]은 안씀
   • pipe와 message queue
     • 둘다 먼저 넣은 데이터가 먼저 읽혀 진다.
     • pipe와 달리 message queue는 양방향 통신이 가능하다.
     • 메모리 공간도 kernel/user로 구분되고 pipe와 message둘다 kernel에서 이뤄진다.

3. Shared memory (공유 메모리)

   • 노골적으로 kernel space에 메모리 공간을 만들고, 해당 공간을 변수처럼 쓰는 방식
   • FIFO방식이 아니라 해당 메모리 주소를 마치 변수처럼 접근한다.
   • 공유 메모리 key를 가지고 여러 프로세스가 접근 가능하다 .

4. 시그널 (signal)

   • 이벤트라고 생각하면 됨
   • 유닉스에서 30년 이상 사용된 전통적인 기법
   • 커널 또는 프로세스에서 다른 프로세스에 어떤 이벤트가 발생되었는지를 알려주는 기법
   • 프로세스 관련 코드에 관련 시그널 핸들러를 등록해서, 해당 시그널 처리 실행
     • 각각의 시그널을 받으면 운영체제가 해야 하는 행동들이 정의가 되어있다.
     • 64개의 명령리스트가 있음
     • 시그널 무시
     • 시그널 블록( 블록을 푸는 순간, 프로세스에 해당 시그널 전달)
     • 등록된 시그널 핸들러로 특정 동작을 수행한다.
     • 등록된 시그널 핸들러가 없다면, 커널에서 기본 동작 수행
       • SIGUSR1
       • SIGUSR2
       • 위의 2개의 시그널은 기본 동작이 정의되어 있지 않고 프로그램을 만들때 특별 동작을 하도록 정의 할 수 있다.
   • PCB에 해당 프로세스가 블록 또는 처리해야하는 시그널 관련 정보 관리
     • 사용자모드에서 커널로 가서 작업을 하고 다시 사용자로 돌아오려고 할 때 해당 프로세스 PCB signal을 확인 해서 signal처리가 필요하다면 커널함수를 호출 해서 실행한 다음 사용자모드로 돌아간다.
     • 특정 동작이 사용자 모드의 프로세스에 저장되어 있다면 사용자 모드로 돌아가면 작동 하도록 명령한다.

5. 소켓 (socket)

   • 네트워크 통신을 위한 기술
   • 기본적으로는 클라이언트와 서버등 두 개의 다른 컴퓨터간의 네트워크 기반 통신을 위한 기술이다. (응답과 요청)
   • 네트워크 기기를 사용하는 system call이라고 사용해도 된다.
   • 하나의 컴퓨터 안에서 두개의 프로세스 간에 통신 기법으로 사용 가능하다.
     • 커널 모드의 네트워크 기기에서 다른 프로세스로 전달을하면 통신이 된다.

• 위의 방법 모두 커널 공간을 사용함

프로그램을 실행하면

1. 컴파일
2. 실행파일이 만들어 진다.
3. 일반 사용자가 shell( CLI/ GUI)을 써서 OS에 실행 시켜달라고 한다.
4. 프로세스가 ready 가 되고 스케쥴러에 따라 running상태가 된다.