IPC와 파이프는 무엇인가요?

[youngreal]

1. IPC에 대해서 설명해주세요
2. 파이프는 무엇일까요?

[youngreal]

1. IPC에 대해서 설명해주세요

프로세스는 다른프로세스들과 데이터를공유하지않는 프로세스와, 협력하는 프로세스가 있는데 협력적 프로세스들끼리 데이터를 교환할수있는 통신수단이 필요하며 그 기법을 IPC(프로세스간 통신) 이라고 합니다. 클라이언트가 데이터를 요청하고 서버는 응답하는것도 IPC의 예입니다

통신하는 프로세스들이 공유 메모리영역을 구축하여 공유영역에 프로세스들이 읽고쓰며 정보를 교환할수있는 공유메모리 방식과 동일한 주소공간을 공유하지않고도 프로세스들 사이에 교환되는 메시지를 통하여 통신이 이루어지는 메시지 전달 시스템이 있습니다 이외에도 소켓,파이프를 이용한 통신도 IPC의 사례입니다

2. 파이프는 무엇일까요?

두 프로세스가 통신할수있게 하는 전달자 입니다. 파이프를 구현하기위해선 단방향, 양방향 통신인지 양방향 통신이라면 반이중방식(한번에 한방향 전송) 인지, 전이중방식(동시에 양방향 전송가능) 인지 고려해야합니다

[Jaeeun1083]

IPC(InterProcess Communication)란?

• 프로세스가 실행되는 방식은 프로세스가 상호 독립적인 방식(independent processes)과 협력적인 방식(cooperationg processes)으로 나뉜다.
• 협력적인 방식일 경우 다른 프로세스와 서로 영향을 주고 받고 데이터를 공유해야한다.
• 이 때 프로세스간 데이터를 주고 받는 동작 또는 그에 대한 방법을 IPC라고 한다.

IPC의 종류

• shared memory
• message passing

shared memory

• 생산자와 소비자가 공유하는 어떤 메모리 영역을 의미한다.
• 버퍼를 이용하여 생산자는 버퍼를 채울 수 있고 소비자는 버퍼를 가져갈 수 있도록 한다.
• 버퍼는 unbounded buffer와 bounded buffer로 나뉜다.
  • unbounded buffer : 버퍼 크기에 한계가 없다.
  • bounded buffer : 고정 크기의 버퍼를 사용한다. 소비자는 버퍼가 비어있을 때 생상자는 버퍼가 가득 차있을 때 대기해야한다.

• 예제

  #### 버퍼 구조 ####
  #define BUFFER_SIZE 10
  typedef struct {
     ...
  } item;
  
  item buffer[BUFFER_SIZE];
  int in = 0;
  int out = 0;
  
  #### 생산자 코드 ####
  item next_produced;
  
  while (true) {
     /* next_produced에 아이템 생산 */
  
     while ((in + 1) % BUFFER_SIZE) == out) {
          ; /* 아무 것도 안 함 */
     }
  
     buffer[in] = next_produced;
     in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
  }
  
  #### 소비자 코드 ####
  item next_consumed;
  
  while (true) {
     while (in == out) {
         ; /* 아무 것도 안 함 */
     }
  
     next_consumed = buffer[out];
     out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
  
     /* next_consumed에 있는 아이템을 소비 */
  }

shared memory 방식의 문제는 메모리 영역을 공유하게 될 때 메모리 영역에 명시적으로 액세스하거나 관리를 모두 프로그래머가 해야한다는 것이다. 공유가 많아질 수록 복잡해진다.

message passing

• 메시지를 주고 받는 프로세스에 O/S에서 수단을 제공하는 것이다.
• 즉 shared memory 관리를 O/S가 하는 것이다.
• message passing은 send(message), receive(message) 두가지 연산을 제공한다.
• 프로세스 간 통신을 위해서는 서로에게 반드시 메시지를 받아야한다 즉 communication link가 있어야한다. link는 다양한 방법으로 구현될 수 있다.
  • 직 / 간접 통신
  • 동기 / 비동기 통신
  • 자동 / 명시적 버퍼링

IPC System의 예시

• Shared Memory : POSIX Shared Memory
  • POSIX : Unix 계열에서 운영체제 표준화를 한 것이다.
• Message Passing : Pipes
  • Unix에서 가장 기본적인 구현 방법 중 하나이다.

POSIX Shared memory

• POSIX 공유 메모리는 메모리에 매핑된 파일 (memory-mapped file)을 사용한다.

• 예제

  int main()
  {
     /* 공유 메모리 개체의 크기 (바이트 단위) */
     const int SIZE = 4096;
     /* 공유 메모리 개체의 이름 */
     const char *name = "OS";
     /* 공유 메모리에 쓸 문자열 */
     const char* message_0 = "Hello";
     const char* message_1 = "World!";
  
     /* 공유 메모리 파일 설명자 */
     int fd;
     /* 공유 메모리 개체를 가리키는 포인터 */
     char *ptr;
  
     /* 공유 메모리 개체 생성 */
     fd = shm open(name,O CREAT | O RDWR,0666);
  
     /* 공유 메모리 개체 크기 설정 */
     ftruncate(fd, SIZE);
  
     ######## 생산자 코드 와 소비자 코드의 다른 부분 ########
  
     ######## 생산자 코드 ########
     /* 공유 메모리 개체를 메모리에 매핑 */
     ptr = (char*) mmap(0, SIZE, PROT READ | PROT WRITE, MAP SHARED, fd, 0);
  
     /* 공유 메모리 개체에 쓰기 */
     sprintf(ptr,"%s",message 0);
     ptr += strlen(message 0);
     sprintf(ptr,"%s",message 1);
     ptr += strlen(message 1);
  
     return 0;
     ##########################
  
     ######## 소비자 코드 ########
     /* 공유 메모리 개체 메모리에 매핑 */
     ptr = (char*) mmap(0, SIZE, PROT READ | PROT WRITE, MAP SHARED, fd, 0);
  
     /* 공유 메모리 개체로부터 읽기 */
     printf("%s",(char *)ptr);
  
     /* 공유 메모리 개체 지우기 */
     shm unlink(name);
  
     return 0;
     ##########################
  }

Pipes

• 두 개의 프로세스간 통신을 위한 수도관이라고 할 수 있다.
• 네가지 문제를 고려하여 구현한다.
  • 양방향 통신을 허용할지 단방향 통신을 할지
  • 양방향 통신이 가능하면 반이중 통신방식인지 전이중 통식방식인지
  • 통신할 프로세스 간 관계(부모-자식 관계 같은)가 반드시 존재하는지
  • 파이프가 다른 네트워크에서도 통신이 가능한지.

[lee-ji-hoon]

IPC에 대해서 설명해주세요

IPC는 프로세스 간 통신이며, 프로세스들끼리 서로 데이터를 주고 받는 행위 그에 대한 방법을 뜻합니다.

• 위 그림처럼 프로세스는 완전히 독립적인 실행객체로써 다른 프로세스의 영향을 받지 않습니다.
• 독립돼 있는 만큼 별도의 설비가 없어 서로간의 통신이 어려워 ,커널 영역에서 IPC 라는 내부 프로세스간 통신을 제공하여 프로세스는 커널이 제공하는 IPC 설비를 이용해서 프로세스 간 통신을 하게 해줍니다.

IPC의 종류 - Message Passing(메시지 전달)

• 커널이 제공하는 API를 이용해서 커널 공간을 통해 통신합니다.
• 메시지 큐(Mesage Queue)를 사용하여 송신 프로세스는 큐에 enqueue, 수신 프로세스는 큐에 dequeue 하며 상호간 통신합니다.

IPC의 종류 - Shared Passing(메모리 공유)

• 프로세스끼리 특정 공통의 메모리 영역을 공유하며, 상호간 통신하는 방법입니다.
• 데이터 자체를 공유하도록 지원하며, 한 프로세스에서 변경한 메모리 공간의 내용을 다른 프로세스에서 접근할 수 있습니다.

두 개 모두 커널에서 관리가 됩니다.

파이프는 무엇일까요?

두 프로세스가 통신할수있게 하는 전달자역할을 하는 것을 파이프라고 합니다.

• IPC 통신과는 달리 한 방향으로만 통신이 가능합니다.
• 파이프 자체는 fork 함수에 의해 복사되지가 않는다고 합니다.

단 양방향 통신을 구현하게 될 경우 위처럼 파이프를 두 개를 생성해서 구현을 하게 됩니다.
이때 양방향 통신을할때 반이중을 할지 전이중 통신방식으로 구현할지 고민을 해봐야합니다.

[this-is-spear]

프로세스 간 통신

기본적으로 프로세스는 자신에게 할당된 메모리에만 접근 가능하기 때문에 협동 프로세스들 간에는 통신 기법이 필요하다.

프로세스 간 통신 방법

• 공유 메모리(Shared Memory)
  • 직접 접근
  • 빠른 속도와 편이성 제공
• 메시지 전달(Message Passing)
  • 커널의 중개
  • 적은 양의 자료 교환에 유용

공유 메모리

공유 메모리는 두 개의 프로세스 안에 서로 공유할 수 있는 메모리이다. 시스템 호출로 등록되어진 메모리에 한에서 다른 프로세스들이 데이터를 읽을 수 있다. 데이터를 만들 때는 커널의 도움이 필요하지만 읽을 때는 사용자의 모드로 읽을 수 있다.

공유 메모리 시스템

서로 통신하려는 프로세스 간 공유 메모리 영역을 구축한다. 각 프로세스는 이 영역을 자신의 주소 공간에 추가하고 접근한다.

접근 방법

• 공유 메모리에 기록되는 자료의 형식이나 위치는 프로세스들에 의해 결졍된다.
• 동시에 동일한 위치에 쓰지 않도록 주의해야 한다.

메시지 전달

필요한 데이터를 직접적으로 가져오는 게 아닌 커널을 통해 메시지를 주고 받는다.

신호

한 프로세스에게 어떤 상황의 발생을 비동기적으로 알리는 방법이다. 한 프로세스가 다른 프로세스에게 알리거나 커널이 특정 프로세스에게 알리게 된다. 현재 프로세스 내외부에서 예상치 못하게 발생하는 비동기적 사건을 처리하기 위한 방법이다. 신호의 전달은 커널에 의해 이뤄진다.

💡 가장 오래된 IPC 방법이다.

파이프

프로세스간에 데이터를 전달하는 방법이다. 전송되는 데이터의 읽기 쓰기 위치를 임의로 변경할 수 없다. 그리고 순차적으로 읽고 사용해야 한다. 시스템 호출을 통해 커널 공간에 생성된 파이프를 통해 전달한다.