2024 운영체제 정리 - 3. IPC

 

 

 

2024 운영체제 정리 - 3. IPC

 

 

• 1. 운영체제란
• 2. Process & Thread
• 3. IPC
• 4. CPU Scheduling  
• 5. Synchronization
• 6. Virtual Memory 

 

 

 

 

 

IPC와 관련된 코드적인 내용은 아래 링크에 더 자세히 설명해두었다 

https://asidefine.tistory.com/94

시스템 프로그래밍 실습 8주차 : IPC

https://asidefine.tistory.com/98

시스템 프로그래밍 실습 9주차 : System V IPC

 

 

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• 프로세스마다 각각 다른 메모리 공간을 가지기 때문에, 데이터를 주고 받기 위해선 IPC (Inter Process Communication)가 필요하다 
• IPC에는 5가지 방법이 있다 -> 1) 파일, 2) 소켓, 3) 파이프, 4) 메세지 큐, 5) 공유 메모리 
  • 위에서 2) 소켓, 3) 파이프, 4) 메세지 큐는 메세지 전달 방법에 속하며 system call을 사용해서 구현된다 

 

 

아래에서는 메세지 전달 방식과 공유 메모리 방식을 나눠서 살펴 볼 것이다. 

 

 

+) IPC와 System V IPC!? 



유닉스는 처음 개발된 이래 다양한 형태로 발전했으며, 크게 BSD 계열과 시스템 V 계열로 구분할 수 있다.

 System V IPC는 시스템 V 계열 유닉스에서 개발해 제공하는 프로세스 간 통신방법으로, 

위에서 언급한 5가지 방법 중 메세지 큐, 공유 메모리가 System V IPC에 속한다 (뒤에서 나올 Semaphore도 여기에 속함)


공통 요소 
- 시스템 V IPC를 사용하기 위해서는 IPC 객체를 생성해야 함 
- IPC 객체를 생성하기 위해 공통적으로 사용하는 기본 요소는 키와 식별자

 

 

 

 

 

 

메세지 전달 (Message Passing)

 

 

• system call를 통해 kernel에 요청하면 kernel이 다른 process에게 전달 
• 장점 
  • 안전하고 구현하기 쉬움
• 단점 
  • 적은 데이터 전달 가능 
  • 속도가 느림 
    • -> System call을 이용하기 때문에 Kernel의 관여를 한 번 거쳐야 하기 때문에 
•  2) 소켓, 3) 파이프 , 4) 메세지 큐는 메세지 전달 방법에 속함
  • 2) 소켓은 네트워크를 이용하는 방식 
  • 3) 파이프, 4) 메세지 큐는 운영체제 단에서 작동한다 

 

 

 

• 3) 파이프 (PIPE) 
  • 통신할 프로세스가 명확하게 알 수 있는 경우 사용
    • 부모 자식 or 형제 프로세스 간에만 사용 가능 (외부 프로세스에서는 사용할 수 없다) 
  • 단방향 통신 - 한 프로세스는 데이터를 쓰기만 할 수 있고, 다른 하나는 읽기만 할 수 있다 
    •  송/수신을 모두하고 싶다면 두 개의 파이프를 만들어야 한다 

 

 

 

 

 

• +) Named PIPE
  • 전혀 모르는 상태의 프로세스들 사이의 양통신에 사용
    • 부모 프로세스와 무관한 다른 프로세스도 통신 가능
  • FIFO 라 불리는 특수 파일을 이용해 서로 관련 없는 프로세스 간 통신에 사용한다.
    
    • mkfifo() 함수를 통하여 FIFO 파일을 생성한 후 어떤 프로세스라도 이 파일의 경로를 안다면 이 파일에 접근하여 read/write을 할 수 있다

 

- client (writer) 코드 

#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define MSG_SIZE 80
#define PIPENAME "./named_pipe_file"

int main(void) {
  char msg[MSG_SIZE];
  int fd;
  int nread, i;

  /* named pipe 열기, Write 전용으로 열기 */
  if ((fd = open(PIPENAME, O_WRONLY)) < 0) {
    printf("fail to open named pipe\n");
    return 0;
  }

  /* Data를 보낸다. */
  for (i = 0; i < 3; i++) {
    snprintf(msg, sizeof(msg), "Send Message[%i]", i);
    if ((nread = write(fd, msg, sizeof(msg))) < 0 ) {
      printf("fail to call write()\n");
      return 0;
    }
  }
  return 0;
}

 

 

 

 

• 4) Message Queue
  • 입출력 방식은 Named 파이프와 동일하다.
  • 다른 점은
    • 메시지 큐는 파이프처럼 데이터의 흐름이 아니라 메모리 공간이다. (메모리를 사용한 PIPE)
    • PIPE나 FIFO와는 달리, 다수의 프로세스간 메시지를 전달 할 수 있음
  • 특징
    • 커널에서 제공하는 Message queue 이기 때문에 EnQueue 하는데 제한이 존재 한다.
    • 각 메시지에는 메시지 유형이 있어 수신 프로세스는 어떤 유형의 메시지를 받을 것인지 선택 가능
  • 사용 방법
    •  msgbuf라는 임의의 구조체를 만들어줘서 message queue에 보내줘야 한다
    • 무조건 맨 처음에는 msgtype이 들어있어야 한다
    • msgsnd할 때는 msgtype을 설정해줘야 하며, msgrcv에서는 원하는 msgtype을 읽어올 수 있다!

 

 

 

 

 

 

메시지 큐 방식은 위와 같이 메시지를 구분하기 위해 메시지에 태그(번호)를 달아 메시지를 구분 합니다. 위 그림의 동작을 보면 프로세스 A에서는 송신 함수를 통해 메시지 #3을 메시지 큐로 송신하는 과정이고 프로세스 B는 recv(수신 함수)를 통해서 메시지 #2를 프로세스 B의 메모리 공간으로 가져오는 작업입니다

 

 

2) 소켓  네트워크 소켓 통신을 통해 데이터를 공유한다. 데이터 교환을 위해 양쪽 PC에서 각각 임의의 포트를 정하고 해당 포트 간의 대화를 통해 데이터를 주고받는 방식이다. 이 때 각각 PC의 PORT를 담당하는 소켓은 각각 하나의 프로세스이다. 즉 해당 프로세스는 임의의 PORT를 맡아 데이터를 송수신 하는 역할을 진행하는 프로세스인 것 입니다. 각각의 PC에서 프로세스를 통해 타 PC PORT에 연결하라는 명령을 보내게 되면 두 프로세스는 서로 확인과정을 거쳐 연결을 진행하고 연결 후 마치 PIPE와 같이 1 대 1로 데이터를 주고받는 방식이다. 클라이언트와 서버가 소켓을 통해서 통신하는 구조로, 원격에서 프로세스 간 데이터를 공유할 때 사용한다.

 

 

 

공유 메모리 (Shared Memory)

 

• process들이 주소 공간의 일부를 공유 -> 공유한 메모리 영역에 읽기/쓰기를 통해서 통신을 수행
• process가 공유 메모리 할당을 kernel에 요청하면 kernel은 해당 process에 메모리 공간을 할당
  • 공유 메모리 영역이 구축된 이후에는 모든 접근이 일반적인 메모리 접근으로 취급되기 때문에 더이상 kernel의 도움없이도 각 process들이 해당 메모리 영역에 접근할 수 있음
  • 단 그래도 공유메모리는 커널에 의해서 관리되긴 함 
• 장점 
  • 커널의 관여 없이 데이터를 통신할 수 있기 때문에 IPC속도가 빠르다는 장점
  • 단순히 공유 메모리를 point 함으로써 프로세스에서 사용되는 메모리가 증가되지는 않는다.
• 단점 
  • 동시에 같은 메모리 위치에 접근하게 되면 일관성 문제가 발생할 수 있음 -> 동기화 문제 발생 가능