[OS] IPC: 프로세스 통신

1. 프로세스간 통신(IPC)

프로세스간 통신이 아닌 스레드 간 통신을 생각해보자. 이는 프로세스 내부 통신, 즉 Code, Data, Heap 영역을 공유자원으로 활용하므로 비교적 간단하다. 그러나 프로세스 간 통신(IPC, Inter-Process Communication)은 가상메모리로 인해 직접 통신이 불가능하다. 이런 이유로 프로세스 간에는 특별한 방법을 통해 통신하게 된다.

1.1. 종류

1.1.1. 프로세스 내부 데이터 통신(= 스레드)

• 한 프로세스 내에 2개 이상의 스레드가 존재하는 경우의 통신이다.
• 스레드는 전역변수, 파일 이용해 데이터 주고받는다.

1.1.2. 프로세스간 데이터 통신(주요 의미)

• 같은 컴퓨터에 있는 여러 프로세스 간의 통신이다.
• 공용 파일 또는 OS가 제공하는 파이프 사용하여 통신한다.

1.1.3. 네트워크 이용한 데이터 통신

• 여러 컴퓨터가 네트워크로 연결되어 있을 때의 통신이다.
• 소켓을 이용해 데이터를 주고받는다.

1.2. 원시적인 프로세스 통신 예시

• 파일을 공통으로 경유해 메시지를 전달한다.

// 프로세스 1(Sender)의 코드
#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *f = fopen("temp.txt", "w");

    fprintf(f, "Can you hear me? \n");
    fclose(f);
    return 0;
}

// 프로세스 2(Receiver)의 코드
#include <stdio.h>

int main() {
    sleep(10);
    FILE *f = fopen("temp.txt", "r");
    char buf[128];

    fread(buf, 1, 128, f);
    printf(buf);
    fclose(f);
    return 0;
}

2. 프로세스간 통신의 분류

• 통신 방향(전송 방식)에 따른 분류

종류	예
양방향 통신	일반적 통신, 소켓
반양방향 통신	무전기
단방향 통신	전역 변수, 파일, 파이프

• 통신 구현 방식(수신 대기 여부)에 따른 분류

종류	예
대기가 있는 통신(동기화 통신)	파이프, 소켓
대기가 없는 통신(비동기화 통신)	전역 변수, 파일

2.1. 전송 방식에 따른 분류

2.1.1. 단방향 통신(Simplex)

• 라디오 신호처럼 한쪽 방향으로만 데이터 전송하는 구조
• 프로세스간 통신에서의 예: 전역 변수, 파이프

2.1.2. 반양방향 통신(반이중 통신, Half duplex)

• 특정 시점에 한쪽 방향으로만 전송 가능한 구조
• 데이터를 양쪽 방향으로 전송할 수 있지만 동시 전송은 불가능하다.
• 대표적인 예: 무전기

2.1.3. 양방향 통신(전이중 통신, Full duplex)

• 데이터를 동시에 양쪽 방향으로 전송할 수 있는 구조
• 프로세스간 통신에서의 예: 소켓 통신

2.2. 수신 대기에 따른 분류

2.2.1. 대기 있는 통신

• 동기화를 지원하는 통신 방식
• 데이터 받는 쪽은 데이터 도착할 때까지 자동으로 대기 상태에 머물러 있는다.
• 인터럽트와 비슷함

2.2.2. 대기가 없는 통신

• 동기화를 지원하지 않는 통신 방식
• 데이터를 받는 쪽은 바쁜 대기를 사용하여 데이터가 도착했는지 여부를 직접 확인한다.
• 풀링과 비슷함

3. 통신 방법의 여러 양상들

두 실행 흐름이 있을 때 이들간의 통신에 있어 다양한 방법을 사용할 수 있는데, 통신 방법의 양상들을 Blocking / Non-Blocking 방식과 Synchronous / Asynchronous 방식을 조합하여 크게 4가지로 분류할 수 있다.

통신 방법 양상 정리

통신 방식

• Synchronous
  • 호출한 흐름의 return을 기다리는 방식
• Asynchronous
  • 호출한 흐름의 return을 기다리지 않는 방식
• Blocking
  • 실행의 제어권을 다른 흐름에게 넘겨주는 방식
• Non-blocking
  • 실행의 제어권을 넘겨주는 방식

통신 방식이 조합되어 아래와 같은 4가지의 통신 양상이 나올 수 있다.

통신 방법의 여러 양상들

• Sync-Blocking
  • 다른 작업 흐름을 호출하고 본인은 대기한다.
  • 다른 흐름 작업이 완료되는 즉시 본인의 작업을 수행한다.
• Async-Blocking
  • 다른 작업 흐름을 호출 시 callback 함수를 같이 전달한다.
  • 다른 흐름이 완료되면 callback이 호출되지만, async한 특성으로 인해 흐름이 동기화가 되지는 않는다.
  • 개념적으로만 있을뿐 실제로는 거의 사용되지 않는다. Sync-Blocking 방식과의 성능 차이가 거의 없기 때문이다.
• Sync-Nonblocking
  • 주기적으로 작업이 완료되었는지 확인한다.
  • 바쁜 대기(busy-waiting)라고도 한다.
  • 폴링과 동작이 비슷하다.
• Async-Nonblocking
  • callback 함수를 제공함으로써, 다른 흐름이 완료되면 callback 함수를 호출하게 한다.

4. 프로세스 통신 방법 정리

본격적으로 프로세스간 다양한 통신 방법을 다루기 전에 그 방법들을 정리하였다. 자세한 내용은 다음 게시물에서 다룰 것이다.

IPC 종류	사용 시기	공유 매개체	통신 단위	통신 방향	통신 가능 범위
PIPE	부모 자식 간 단방향 통신 시	파일	Stream	단방향	동일 시스템
Named PIPE	다른 프로세스와 단방향 통신 시	파일	Stream	단방향	동일 시스템
Mesage Queue	다른 프로세스와 단방향 통신 시	메모리	구조체	단방향	동일 시스템
Shared Memory	다른 프로세스와 양방향 통신 시	메모리	구조체	양방향	동일 시스템
Memory Map	다른 프로세스와 양방향 통신 시	파일+메모리	페이지	양방향	동일 시스템
Socket	다른 시스템간 양방향 통신 시	소켓	Stream(Packet)	양방향	동일 + 외부 시스템