Computer Science-제로베이스-IPC기법들

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주요 IPC 기법인 pipe , message queue , shared memory 에 대해 알아보자.

IPC 기법들은 System programming에서 직접 실습을 해야 하는 부분이기 때문에 간단하게 개념에 대해서만 정리를 하였다.

1. pipe(파이프)

• pipe는 하 나의 process의 output이 다른 process로 들어간다. 이를 단방향 통신이고 한다.
• fork()로 자식 프로세스를 만들었을 때 부모와 자식 간 통신할 때 사용된다.
• 파이프 IPC는 기본적으로 아래와 같이 진행된다.(그림 참고)
  1. pipe로 fd[0]과 fd[1]을 먼저 생성하고 주소값을 넣는다.(이 부분은 아래의 코드를 통해 더 이해해보자)
  2. 부모에서 fd[1]을 갖고 write이라는 시스템콜로 데이터를 쓸 수 있다.
  3. 자식에서는 read 시스템콜로 fd[0]주소값을 활용하여 부모에서 씉 것을 읿을 수 있다.
  4. 단방향 통신이므로 부모는 fd[0] 사용이 불가능하고 자식은 fd[1]을 사용할 수 없다.

파이프 코드 예제

char*msg="Hello Child Process";
int main()
{
    char buf[255];
    int fd[2], pid, nbytes;  

// fd는 길이가 2여야 한다. pipe(fd)가 성공이면 특정 주소값을 2개 return 하는데 fd[0], fd[1]에 각가 할당.
    if(pipe(fd)<0) // pipe(fd)로 파이프를 생서한다. 
        exit(1);   // pipe가 실패이면 종료

    pid=fork(); // fork() 함수 실행 이후부터 부모/자식 프로세스로 나누어진다.
    if(pid>0) { // 부모 프로세스는 pid에 실제 프로세스 ID가 들어간다.
            write(fd[1],msg,MSGSIZE); // fd[1]에 쓴다.write 라는 시스템콜은 fd[1]을 써야한다.
            exit(0);
    }
    else { // 자식 프로세스는 pid가 0이 들어가기 때문에 else문을 실행하게 된다.
            // buf 라는 변수에 MSGSIZE만큼 부모에서 쓰여진 msg값이 엄어온다. ==> 통신 !! 
            nbytes=read(fd[0],buf,MSGSIZE); // fd[0]으로 읽는다.
            exit();
    }
    return 0;
}        

• 위의 코드에서 fork()를 실행하면 porcess를 그대로 복사한다 이를 Child process라고 한다 (아래 그림 참고)
• PC(Program counter)가 다른 line을 가리키게된다. 부모의 pid는 실제 process id를 갖게되고 child의 pid는 0이다.
• 따라서 위의 if else문에서 pid > 0 면 부모 프로세스가 실행을 하고 아니면 자식 프로세스가 실행을 하게 된다.
• 부모프로세스의 코드는 아래와 같다.write 이라는 System call은 file descripter (fd) 에 쓰는 시스템콜이다. 참고

buf 부터 시작되는 버퍼를 size만큼 fd가 참조하는 file에 쓴다. (fd[1] 을 사용해야한다)

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

if(pid>0) { // 부모 프로세스는 pid에 실제 프로세스 ID가 들어간다.
            write(fd[1],msg,MSGSIZE); // fd[1]에 쓴다.write 라는 시스템콜은 fd[1]을 써야한다.
            exit(0);
    }

• 즉, 위위 코드는 부모 프로세스에서 쓰는 코드이다.

• 자식 프로세스의 코드는 아래와 같다.read system call은 fd로부터 읽어오는 함수이다. 참고

buf 부터 시작되는 버퍼를 fd로부터 size만큼 읽어온다. 성공 시 read란 byte의 수가 반환된다.

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

    else { // 자식 프로세스는 pid가 0이 들어가기 때문에 else문을 실행하게 된다.
            // buf 라는 변수에 MSGSIZE만큼 부모에서 쓰여진 msg값이 엄어온다. ==> 통신 !! 
            nbytes=read(fd[0],buf,MSGSIZE); // fd[0]으로 읽는다.
            exit();
    }

• 즉, 위의 코드는 부모 프로세스에서 쓴 것을 읽어오는 역할을 한다.

위의 과정은 부모에서 씉 것을 자식이 읽을 수 있다는 것으로 부모-자식 프로세스간 통신이라고 할 수 있다

2. Message Queue

참고자료

• QUEUE는 기본적으로 FIFO(First in First out)으로 데이터를 전송한다.
• 장점으로는 부모 - 자식이 아니라 어느 프로세스간에라도 데이터 송-수신이 가능하며 key 값만 명확하게 알고있으면 된다.
• message queue를 두 개 만들면 양방향 통신이 가능하다. (이 방법이 일반적임)

Message queue 코드 예제

• A Process

     msqid = msgget(key, msgflg) // key는 1234, msgflg는 옵션
  msgsend(msqid, %sbuf, buf_length, IPC_NOWAIT)

  • 특별한 key값을 부여해서 message queue를 한개 만든다. msgget은 메세지 큐에대한 id를 반환한다.
  • 해당 id에 sbuf에다 데이터를 미리 넣어놓고 msgsend라는 함수를 호출하면 데이터가 메세지 큐에 한 개씩 들어간다.

• B Process

  msqid=msgget(key, msgflg) // key는 동일하게 1234로 해야 해당 큐의 msgid를 얻을 수 있다.
  msgrcv(msqid, &rbuf, MSGX, 1, 0) 

  • 동인한 Key를 갖고 해당 message queue의 id를 반환받는다.
  • msgrcv라는 함수를 통해 rbuf에 sbuf의 데이터가 들어가게 된다.
  • rbuf는 0으로 채워진 배열변수이다.
  • msgget 시스템콜은

  int msgget(key_t key, int msgflg);
  

  • msgflg에 IPC_CREAT를 사용하면 새로운 메시지 큐를 생성한다. 참고
  • msgsend 시스템콜은 참고

  int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
  

  • message queue에 message를 전송할 때 사용된다. 호출한 프로세스는 보내기 전에 write permssion을 보내야한다.
  • mesrcv 시스템콜은 message queue로부터 message를 읽어올 때 사용된다.

  msqid=msgget(key, msgflg) // key는 동일하게 1234로 해야 해당 큐의 msgid를 얻을 수 있다.
  msgrcv(msqid, &rbuf, MSGX, 1, 0) 

Kernal mode & Pipe, Message queue

pipe, message queue의 공통점은 두 방법 모두 Kernal space를 사용한다는 점이다.

(이 개념에 대해서는 가상메모리 부문에서 더욱 다룰 예정)

kernal 공간을 활용하여 프로세스간 데이터를 공유한다.

두 기법의 차이점은 아래와 같다.

• pipe는 부모/자식간의 통신만 가능하나는 것 / message queye는 다른 프로세스와도 통신이 가능하다는 것.
• pipe는 단방향 통신만 가능하다는 건 / message queue는 양방향이 가능하다는 것

3. 공유 메모리 (Shared Momory)

kernal space에 메모리 공간을 만들고 해당 공간을 변수처럼 접근하는 방식이다. 해당 메모리 주소를 변수처럼 접근하는 방식으로, 공유 메모리 keyf를 통해 여러 프로세스가 접근 가능하다.

참고자료

Shared Momory 코드 예제

1. 공유 메모리를 생성하고 공유 메모리 주소를 얻는다.

// 1. 공유 메모리를 생성하고 공유 메모리 주소를 얻을 수 있다.
shmid = shmget((key_t)1234, SIZE, IPC_CREATE|0666)) // 공간을 만든다.
shmaddr = shmat(shmid, (void *)0,0)

// 2. 공유 메모리에 쓰기 가능하다
strcpy((char*)shmaddr,"Linux Programming")

// 3. 공유 메모리에서 읽기 가능
printf("%s\n",(char*)shmaddr)

• shmget 함수를 사용하여 key값을 넣고 SIZE 만큼의 공간을 만든다. id를 return 한다.
• shmat 함수를 사용하여 id값에 해당하는 주소를 반환한다.
• 주소값을 마치 변수처럼 사용하여 바로 쓰거나 읽기가 가능하다.

정리

1. 주요 IPC 기법은 pipe , message queue, shared memory 가 있다.
2. 모두 커널 공간을 활용하여 프로세스간 데이터를 공유하는 방법이다.