[Linux] 프로세스 실습 (C++) (운영체제🦖 강의2-Chpater3. Process 프로세스 간 통신 이론과 실습)

Process 프로세스 간 통신 이론

IPC: Inter-Process Communication

Cooperating 하는 프로세스들은 IPC 메커니즘(데이터를 주고 받는 것)을 통해 서로 통신함

IPC의 두 가지 방법

• 메모리 공유(a)
• 메시지 전달(b)
  

  

생산자 소비자 문제

생산자는 정보를 생산, 소비자는 정보를 소비 (예를 들어 웹 서버가 HTML 파일을 생산, 브라우저가 소비 등)

shared-memory 통한 해결 방법

• 생산자와 소비자 동시에 실행, buffer를 사용해 생산자를 buffer를 채우고, 소비자는 buffer를 비움. buffer가 가득 차면 wait, 비워지면 채우기 시작
• 문제점: 프로그래머가 알아서 코드를 짜서 메모리를 share 해야

Message-Passing

• OS가 cooperating process들을 위한 수단을 제공
• send(message), receive(messsage) 두 개의 system call만 필요
• 아래와 같은 다양한 Message-Passing 방법 존재

1. 직접/간접

• 직접 소통: 수령자와 보내는 자의 이름 명확하게 제시. 자동적으로 communication link 생성. 하나의 link만 만들어짐 (ex: send(P, message), receive(Q, message)-P가 보내고 Q가 받고)
• 간접 소통: mailbox 또는 port로부터 메시지 보내고 받음. 한 쌍의 process들 사이에서 link 만들어짐. 두 개 이상의 process들 사이에서 link가 존재할 수 있음. O/S가 mailbox 생성/message 전송,전달/mailbox 삭제 제공하면 됨 (ex: send(A, message), receive(A, message)-메일 박스에 보내고 메일 박스로부터 받고)

1. 동기화(synchronous)/비동기화(asynchronous)

• Blocking send: 메시지를 받을 때까지 sender가 block 되어 있음
• Non-blocking send: 메시지를 보내고 하던 일 함
• Blocking receive: 메시지 받을 때까지 receiver가 block 되어 있음
• Non-blocking receive: 가능한 메시지를 받거나 아무 메시지도 받지 않거나 둘 중에 하나.동기화: Blocking, 다 보내고 다 받을 때까지 기다림
  비동기화: Non-blocking, 다 받았는지 확신할 수 없음. 일단 자기 일 함

1. 그 외에도 자동/명시적 버퍼링 등 다양한 방법 존재

프로세스 간 통신 실습

Shared Memory: POSIX Shared Memory

POSIX Shared Memory란

POSIX는 Portavle Operating System Interface(for Unix)의 약자. meomoru-mapped file을 이용해서 Shared Memory 영역을 만듦.

POSIX Shared Memory의 Producer 구현

Shared Memory 공간을 만들고 거기에 메시지를 작성하는 코드

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/mman.h>

int main()
{
    const int SIZE = 4096;
    const char *name = "OS";
    const char *message_0 = "Hello";
    const char *message_1 = "Shared Memory!\n";

    int shm_fd; //file discreptor
    char *ptr;

    /*shared memory 생성*/
    shm_fd = shm_open(name, O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    
    /*shared memory 사이즈 구성*/
    ftruncate(shm_fd, SIZE);

    /*map the shared memory object*/
    ptr = (char *)mmap(0, SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);

    /*write to the shared memory*/
    sprintf(ptr, "%s", message_0);
    ptr += strlen(message_0);
    sprintf(ptr, "%s", message_1);
    ptr += strlen(message_1);

    return 0;
}

 

📌코드 설명

 

(1) 공유 메모리 객체 생성

shm_fd = shm_open(name, O_CREAT | O_RDWR, 0666);

• shm_open(name, flags, mode)를 이용해서 공유 메모리를 만듦.
  -name은 공유 메모리의 식별자 역할을 함 ("OS"라는 이름 사용).
• O_CREAT | O_RDWR: 공유 메모리가 없으면 새로 만들고, 읽기/쓰기 모드(O_RDWR)로 염.
• 0666: 파일 권한을 설정 (읽기/쓰기 허용).

 

(2) 공유 메모리 크기 생성

ftruncate(shm_fd, SIZE);

• 공유 메모리 크기를 SIZE = 4096 (4KB)로 설정.
• 생성된 메모리의 크기를 ftruncate()로 변경하지 않으면 기본값 0바이트라 쓸 수 없음.

 

(3) 공유 메모리 매핑

ptr = (char *)mmap(0, SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);

• PROT_READ | PROT_WRITE: 읽기/쓰기 가능.
• MAP_SHARED: 다른 프로세스와 공유 가능.
  (🤔매핑 부분이 좀 아리송 해서 찾아본 각 인자의 구체적 역할...참고 바람)
  

  

 

(4) 공유 메모리에 데이터 쓰기

sprintf(ptr, "%s", message_0); ptr += strlen(message_0); sprintf(ptr, "%s", message_1); ptr += strlen(message_1);

• sprintf(ptr, "%s", message_0);: "Hello" 저장.
• ptr += strlen(message_0): 포인터 이동.
• sprintf(ptr, "%s", message_1);: "Shared Memory!\n" 저장.

POSIX Shared Memory의 Consumer 구현

작성된 Shared Memory의 문자열을 읽는 Consumer 구현 코드

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/mman.h>

int main()
{
    const int SIZE = 4096;
    const char *name = "OS";
    const char *message_0 = "Hello";
    const char *message_1 = "Shared Memory!\n";

    int shm_fd; //file discreptor
    char *ptr;

    /*shared memory 생성*/
    shm_fd = shm_open(name, O_RDONLY, 0666);

    /*map the shared memory object*/
    ptr = (char *)mmap(0, SIZE, PROT_READ, MAP_SHARED, shm_fd, 0);

    /*read from the shared memory*/
    printf("%s", (char *)ptr);

    /*remove the shared memory*/
    shm_unlink(name);

    return 0;
}

📌 코드 설명

(1) 공유 메모리 열기

shm_fd = shm_open(name, O_RDONLY, 0666);;

• shm_open("OS", O_RDONLY, 0666);를 이용해서 이미 존재하는 공유 메모리를 읽기 모드로 염.

 

(2) 공유 메모리 매핑

ptr = (char *)mmap(0, SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);

• mmap()을 사용해 프로세스의 메모리에 공유 메모리를 매핑.

 

(3) 공유 메모리 데이터 출력

printf("%s", (char *)ptr);

• 공유 메모리에 저장된 문자열을 읽어서 출력.

 

(4) 공유 메모리 삭제

shm_unlink(name);

• shm_unlink("OS");를 호출해서 공유 메모리를 제거.
• 공유 메모리를 제거하지 않으면, 프로세스가 종료되어도 남아 있을 수 있음.

cf) 참고로 코드 실행은 gcc [producer 파일 이름.c] -lrt-> ./a.out-> gcc [consumer 파일 이름.c] -lrt-> ./a.out 해주면 작성한 문자열이 출력된다.

Message Passing: Pipes

Pipes란

UNIX에서 아주 초창기에 사용하던 매커니즘. shared-memory에서 만들고, 쓰고, 읽고, 삭제하는 귀찮은 과정에 대한 해결책. 일방향. 네트워크에서는 사용하지 않음. 네트워크에서는 대신 socket 사용. Ordinary pipes, Named pipes가 있음. Ordinary pipes에만 parent와 child 역할 있으며 이번 실습도 Ordinary 버전. 두 개의 pipe이 필요. Parent에서 Child, Child에서 Parent.
두 개의 파이프 pipe(int fd[])

• fd[0]: 읽는 기능을 가진 파이프
• fd[1]: 쓰는 기능을 가진 파이프

Pipes 구현

Pipe를 통해 프로세스들이 "read Greeting"을 적고 읽는 코드 구현

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

#define BUFFER_SIZE 25
#define READ_END 0
#define WRITE_END 1

int main()
{
    char write_msg[BUFFER_SIZE] = "Greetings";
    char read_msg[BUFFER_SIZE];
    int fd[2];
    pid_t pid;

    /*파이프 생성*/
    pipe(fd);
    
    pid = fork();

    if (pid > 0) { //부모 프로세스스
        close(fd[READ_END]);
        /*파이프에 쓰기*/
        write(fd[WRITE_END], write_msg, strlen(write_msg) +1);
        close(fd[WRITE_END]);
    }
    else if (pid == 0) { //자식 프로세스스
        close(fd[WRITE_END]);
        /*파이프 읽기*/
        read(fd[READ_END], read_msg, BUFFER_SIZE);
        printf("read %s\n", read_msg);
        close(fd[READ_END]);
    }

    return 0;
}

📌 코드 설명

(1) 파이프 생성

pipe(fd);

• fd[0]: 파이프의 읽기(read) 끝
• fd[1]: 파이프의 쓰기(write) 끝
• pipe()를 호출하면 두 개의 파일 디스크립터(fd 배열)가 생성됨

(2) 프로세스 생성 fork()

• fork()를 호출하여 부모와 자식 프로세스를 생성
• 부모 프로세스와 자식 프로세스는 동일한 메모리를 복제하여 실행되지만, 각각 독립적인 실행 흐름을 가짐

(3) 부모 프로세스 (데이터 쓰기)

• close(fd[READ_END]); 부모 프로세스는 쓰기 전용이므로, 읽기 끝을 닫음.
• write(fd[WRITE_END], write_msg, strlen(write_msg) + 1); "Greetings" 문자열을 파이프에 씀 (+1은 문자열 종료 문자 \0 포함)
• close(fd[READ_WRITE_END]); 데이터를 다 썼으면 파이프 닫기

(4) 자식 프로세스 (데이터 읽기)

• close(fd[WRITE_END]); 자식 프로세스는 읽기 전용이므로, 쓰기 끝을 닫음.
• read(fd[READ_END], read_msg, BUFFER_SIZE); 부모 프로세스가 보낸 "Greetings"을 읽어 read_msg에 저장
• close(fd[READ_END]); 데이터를 다 읽었으면 파이프 닫기