Interprocess Communication

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프로세스 간 통신 (IPC)

프로세스는 기본적으로 independent 하다.

한 프로세스가 다른 프로세스의 실행에 영향을 주거나 받지 않는다.

때로는 cooperating (협업) 할 수 있는데

이때는 다른 프로세스의 실행에 영향을 주고 받는다.

프로세스는 다음과 같은 이유로 협력한다.

정보 공유
작업을 나누어 실행해 연산 속도를 올리기 위함
모듈화된 시스템을 여러 프로세스로 나누어 실행
한 사용자가 편리함을 위해 여러개 실행

협력하는 프로세스 (cooperating process) 는 interprocess communication (IPC) 가 필요하다.

IPC는 shared memory 와 message passing 의 두 가지 모델이 있다.

IPC - Shared Memory

통신하고자 하는 프로세스가 일정한 메모리를 공유하여 데이터를 주고 받는다.

여기서는 프로세스 A와 프로세스 B가 메모리를 공유하고 있다.

각 프로세스는 이 메모리 공간을 자기 자신의 주소 공간의 일부로 간주한다.

A가 공유 메모리 영역에 데이터를 쓰고 B가 읽음으로써 데이터 전달 효과를 볼 수 있다.

별도의 송신, 수신 함수가 필요 없다. 그냥 읽고 쓰는 게 송수신이다.

단, A가 먼저 쓰고 그 다음에 B가 읽어야 데이터 전송이 되는 것인데,

이를 컨트롤 하는 것은 커널이 아닌 사용자 프로세스라서 이 순서가 제대로 되리라는 보장이 없다.

이는 공유 메모리 모델의 큰 이슈 중 하나로 통신을 위해 공유 메모리를 접근할 때

서로의 동작을 동기화하는 메커니즘이 필요하다.

생산자-소비자 문제

이는 프로세스 간 동기화 개념을 설명하는데 있어 자주 이야기 되는 고전적인 문제이다.

두 개의 프로세스는 생산자와 소비자 역할을 맡고 있다.

이들은 buffer 라고 하는 공간을 공유한다.

생산자는 데이터를 생성하여 buffer 에 저장하고,

소비자는 그것을 꺼내서 소비한다.

이는 생산자가 송신하고 소비자가 수신하는 통신 문제로도 볼 수 있다.

unbounded-buffer 는 버퍼의 크기에 한계가 없다.

bounded-buffer 는 고정된 크기의 버퍼를 사용한다.

Bounded-Buffer - shared-memory 해결법

공유 메모리에서 이 생산자-소비자 문제를 해결하는 방법이다.

생산자와 소비자가 공유하게 될 버퍼에 대한 정의이다.

#define BUFFER_SIZE 10
typedef struct {
    ...
} item;
// 자신이 원하는 데이터를 구조체로 정의한다.

item_buffer[BUFFER_SIZE]; // 실제 버퍼 정의, 고정된 크기이다

int in = 0;
int out = 0;
/*
buffer 의 특정 위치를 가리키는 pointer 역할을 한다.
in 은 생산자가 생성할 데이터를 저장할 곳
out 은 소비자가 꺼내갈 곳을 의미한다.
처음에는 버퍼가 비어있으므로 0으로 초기화한다.
*/

버퍼는 다음과 같이 첫번째 칸과 마지막 칸이 이어져있는

circular list 이다.

마지막 칸에서 한 칸 더 이동하면 다시 0으로 되돌아간다.

버퍼는 순차적으로 접근한다.

in을 1씩 증가시키며 데이터를 넣고

out을 1씩 증가시키며 데이터를 꺼낸다.

in은 항상 out보다 앞서있어야 한다.

현재 buffer에 있는 데이터는 in과 out 사이에 있는 (in - out) 개의 데이터이다.

위 그림에서의 in은 4, out 은 0이다.

따라서 데이터는 4 - 0, 4개이다.

생성자는 데이터를 생산해서 buffer에 넣는 과정을 반복하는 일을 한다.

생산자

item next_produced; // 생산한 데이터 임시 보관하는 변수

while (true) {
    /* produce an item */
    
    while (((in+1)%BUFFER_SIZE) ==  out)
        ; /* do nothing */ 
    /*
    위 while 문은 bounded buffer 의 상태를 살피는 반복문이다.
    buffer 에는 현재 빈 공간이 남아있어야 한다.
    없다면, 소비자가 데이터를 빼가서 빈 공간이 생기기를 기다려야 한다.
    생산자가 올바른 실행을 위해서 자신의 실행을 지연시키는 부분이며
    이것이 동기화 부분이다.
    */
    
   	buffer[in] = next_produced;
    
    /* 
    while 조건이 false 가 되어 반복문을 빠져 나왔다면
    실제로 데이터를 송신하게 된다.
    이는 이미 빈 공간이 있음을확인한 단계이다.
    */
    
    in = (int + 1) % BUFFER_SIZE;
    // 다음 작업을 위해 in 포인터를 갱신한다.
}

소비자

item next_consumed; // 소비할 데이터를 임시 보관

while (true) {
    while (in == out)
        ; /* do nothing */
    /*
    데이터를 꺼내기 전에 현재 bounded buffer를 살피는 부분이다.
    최소한 하나 이상의 데이터가 있어야 한다. 
    비어있다면 생산자가 데이터를 채워넣을 때까지 기다려야 한다.
    이는 생산자-소비자 문제 해결법의 핵심 부분이다.
    소비자가 올바른 수신을 위해 자신의 실행을 지연하는,
    실행을 동기화하는 부분이다.
    */
    next_consumed = buffer[out];
    // 수신. 꺼낼 수 있는 데이터가 하나라도 있다는 뜻이다.
    
    out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
    
    /* consume the item */
}

프로세스 간 통신 - 메시지 전달

메모리를 공유하는 방법 이외에

프로세스 간 메시지를 전달하여 통신하는 방법도 있다.

위 그림은 메시지 큐를 이용한 방식이다.

커널 내에는 프로세스 A와 B가 통신 중 주고 받은 메시지가 저장된다.

프로세스가 송신하려면 커널의 메시지 큐에 저장하고, 수신은 그 반대로 거기서 꺼내어 사용하면 된다.

이는 사용자 공간의 메모리를 공유하는 방식과는 다르다.

메모리가 커널 내에 있고, 메시지 큐로 이어져 있는 것이다.

IPC는 이 방식에서 두 가지 연산인 send(message)와 receive(message) 기능을 제공한다.

메시지 크기는 고정이거나 가변적일 수 있다.

직접 통신 (direct communication)

통신을 주고 받기에 앞서 서로를 가리킬 수 있는 방법이 있어야 한다.

직접 통신은 통신을 원하는 프로세스가 통신의 수신자, 송신자의 이름을 명시하는 통신 방법이다.

이 방법은 송수신할 대상을 지정하도록 되어 있어

send(P, message) - P에게 메시지를 보냄,

receive(Q, message) - Q로부터 메시지를 받음 의 함수를 가진다.

이 communication link 의 성질로

링크가 자동으로 형성된다

(매번 send, receive 할 때마다 상대방을 지정하기 때문)
링크가 오직 두 프로세스 간에서만 이루어지고

둘 사이에 여러개를 연결할 수 없다
링크는 단방향일 수 있으나 대개 양방향이다

라는 것들이 있다.

간접 통신 (indirect communication)

메시지들이 우편함(mailbox)로 가고, mailbox에서 온다. (항구-port라고도 불린다)

각 mailbox는 자신만의 id가 있다.

프로세스들은 하나의 mailbox를 공유해야만 서로 통신할 수 있다.

이 communication link 의 성질로

프로세스들이 공통의 mailbox를 공유해야만 link가 형성된다
link는 많은 프로세스 간 형성될 수 있다
각 프로세스 쌍 사이엔 여러 communication link 가 있을 수 있다
단방향이거나 양방향이다

라는 것들이 있다.

간접 통신은 다음과 같은 연산을 수행한다.

mailbox(혹은 port) 생성
mailbox를 통해 메시지 주고 받기
mailbox 제거

기초적으로 다음과 같이

send(A, message) - A라는 mailbox에 메시지 보냄

receive(A, message) - A라는 mailbox에서 메시지 가져옴

와 같은 동작이 있다.

이때 P_1, P_2, P_3 의 세 프로세스가 A라는 mailbox를 공유하고

P_1 이 메시지를 보내고 이를 P_2, P_3 가 받을 수 있다고 할 때

둘 중 누가 받을까에 대해 생각해볼 수 있다.

이에는 다음과 같은 세 가지 경우를 생각할 수 있다.

한 연결에 최대 두 프로세스만 관여하도록 되어있다면

P_1이 누구와 연결되어 있느냐에 따라 달라진다.
한 번에 한 프로세스만 receive 할 수 있다면

P_2와 P_3 중 누가 먼저 receive 에 성공하는지에 따라 실제 수신이 결정된다.
시스템이 임의로 수신할 프로세스를 선택하는 경우로,

이 경우엔 나중에 sender 에게 P_2와 P_3 중 누가 수신자가 되었는지를 알려줘야 한다.

동기화 (synchronization)

메시지 전달은 blocking 이거나 non-blocking 방식일 수 있다.

blocking 은 동기적(synchronous) 이라고도 한다.

blocking send 에서 sender가 메시지를 보내면,

그 메시지가 전달된 것이 확인될 때까지 프로세스는 대기 상태가 된다. (blocked)

blocking receive 는 마찬가지로 receiver는 메시지가 도착할 때까지 기다린다.

메시지가 도착하지 않았는데 receive를 호출한다면 이는 메시지가 올 때까지 기다린다.

non-blocking 은 비동기적(asynchronous) 이라고도 한다.

non-blocking send는 sender가 메시지를 보내고 나서 수신 여부에 관계 없이 일을 계속한다.

즉 이는 호출하고 나서 바로 return 이 가능하다.

여기서 send 는 수신자가 메시지를 받았는지 안 받았는지는 신경 쓰지 않는다.

무조건 보내고 받았든 안 받았든 return 한다.

non-blocking receive 는 아직 메시지가 도착을 안 했으면

NULL 을 받았다고 하고 바로 return 한다.

서로 다른 조합이 가능하다.

특히 blocking send와 blocking receive 의 조합은 rendezvous 라고 한다.

메시지 패싱을 이용한 생산자-소비자 문제의 해결책

생산자

message next_produced;
while (true) {
    // produce an item in next produced
    send(next_produced);
}

위 코드는 메시지를 생산 후, send() 함수로 이를 보내는 코드이다.

소비자

message next_consumed;
while (true) {
    receive(next_consumed);
    // consume the item in next consumed
}

위 코드는 receive() 함수로 메시지를 받아 이를 소비하는 코드이다.

메시지 패싱에서는 생산자-소비자 관계가 별 거 없어진다.

공유 메모리 (shared memory) 에서는 동기화가 매우 중요했으나

메시지 패싱에는 non-blocking 방식과 같은 비동기적인 방법도 있기 때문이다.

Buffering

직접 통신, 간접 통신에 관계 없이 (direct or indirect communication)

communication link 마다 메시지들을 위한 큐 (message queue)가 있으며

프로세스들이 주고 받는 메시지는 이 임시 큐에 머물게 된다.

이런 메시지 큐를 구현하는 방법에는 다음의 3가지 방법이 있다.

zero capacity

queue의 길이가 최대 0인 것이다. 링크는 중간에 대기하는 메시지를 가질 수 없다.

sender 는 receive가 메시지를 받을 때까지 무조건 기다려야 한다.

이는 rendezvous 방식이기도 하다. (blocking send - blocking receive)
bounded capacity

최대 n개의 메시지를 들 수 있다.

sender 가 메시지를 보내고 바로 일을 할 수 있다.

큐에 넣기만 하고 제 갈 길을 갈 수 있다.

그러나 큐가 가득찬 경우 sender는 큐가 비기를 기다려야 한다.
unbounded capacity

큐의 길이에 제약이 없다.

이 방식으로 큐가 구현된 경우 sender 는 기다릴 경우가 없다.

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Kyojun Jin

Interprocess Communication

프로세스 간 통신 (IPC)

IPC - Shared Memory

생산자-소비자 문제

Bounded-Buffer - shared-memory 해결법

생산자

소비자

프로세스 간 통신 - 메시지 전달

직접 통신 (direct communication)

간접 통신 (indirect communication)

동기화 (synchronization)

메시지 패싱을 이용한 생산자-소비자 문제의 해결책

생산자

소비자

Buffering

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