프로세스 통신

독립 프로세스 vs 협력 프로세스

운영체제에서 동시에 실행되는 프로세스는 독립 프로세스(independent process) 혹은 **협력 프로세스(cooperating process)**일 수 있다.

  • 독립 프로세스: 시스템 내 다른 프로세스와 데이터를 공유하지 않음

  • 협력 프로세스: 다른 프로세스에 영향을 주거나, 영향을 받을 수 있음

데이터를 공유하는 모든 프로세스는 협력 프로세스다.

협력 프로세스를 지원하는 이유

  1. 정보 공유 (Information sharing)

    • 여러 애플리케이션이 동일 데이터를 사용하고자 할 수 있음

    • 예: 복사-붙여넣기

  2. 계산 속도 향상 (Computation speedup)

    • 작업을 병렬로 수행하려면 서브태스크로 나눠야 함

    • 전제 조건: 멀티코어 환경

  3. 모듈화 (Modularity)

    • 기능을 나누어 프로세스 또는 스레드로 분리함 (2장에서 다룸)

IPC: Interprocess Communication

협력 프로세스는 데이터 교환을 위한 IPC 메커니즘이 필요하다. IPC에는 두 가지 기본 모델이 있다:

  1. 공유 메모리(shared memory)

    • 프로세스 간에 공유되는 메모리 영역을 생성

    • 해당 영역에 읽기/쓰기 방식으로 정보 교환

  2. 메시지 전달(message passing)

    • 메시지를 통해 데이터 송수신

    • 직접 메모리 접근은 없음

Chrome 브라우저의 멀티프로세스 구조 예시

  • Chrome은 웹 앱의 오류로 전체 브라우저가 죽는 현상을 방지하기 위해 멀티프로세스 구조를 채택

  • 세 종류의 프로세스 존재:

    1. Browser process: UI, 디스크/네트워크 I/O 관리 (1개만 존재)

    2. Renderer process: 각 탭마다 생성, HTML/JS 처리

    3. Plugin process: Flash, QuickTime 등 플러그인별 생성

  • 장점:

    • 탭별로 분리되어 있어 하나의 탭 오류가 전체 브라우저에 영향 없음

    • Renderer는 샌드박스에서 실행 → 보안성 향상

모델 비교

모델
특징

공유 메모리

속도 빠름, 시스템 콜 적음, 메모리 직접 접근

메시지 전달

구현 단순, 커널 개입 많음, 분산 환경 적합

  • 메시지 전달은 소량 데이터, 분산 시스템에서 유리

  • 공유 메모리는 고속 전송에 유리하나, 동기화 이슈 존재

공유 메모리 기반 IPC

공유 메모리 사용을 위한 조건:

  • 한 프로세스가 공유 메모리 영역을 생성

  • 다른 프로세스는 해당 영역을 주소 공간에 연결

  • 프로세스 간 합의 하에, 메모리 접근 제한을 해제함

운영체제는 어떤 위치, 어떤 포맷으로 데이터를 저장할지는 관여하지 않음 → 프로세스가 스스로 관리해야 하며, 동기화도 직접 책임져야 함

Producer–Consumer 문제

  • Producer: 데이터를 생성

  • Consumer: 데이터를 소비

  • 공유 버퍼를 통해 데이터를 전달

예시:

  • 컴파일러 → 어셈블러 → 링커

  • 웹 서버 → 클라이언트 웹 브라우저

공유 버퍼 형태

  • Unbounded buffer: 제한 없음

  • Bounded buffer: 고정 크기 → 꽉 차면 producer 대기, 비면 consumer 대기

Bounded buffer 예시

#define BUFFER_SIZE 10
item buffer[BUFFER_SIZE];
int in = 0, out = 0;

  • 버퍼는 원형 배열

  • in은 다음 쓸 위치, out은 다음 읽을 위치

  • in == out: 버퍼 비어있음

  • (in + 1) % BUFFER_SIZE == out: 버퍼 가득 참

Producer 코드 (공유 메모리 사용)

item next_produced;
while (true) {
  // 항목 생성
  while ((in + 1) % BUFFER_SIZE == out);  // 대기
  buffer[in] = next_produced;
  in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
}

Consumer 코드 (공유 메모리 사용)

item next_consumed;
while (true) {
  while (in == out);  // 대기
  next_consumed = buffer[out];
  out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
  // 항목 소비
}

메시지 전달 기반 IPC

메시지 전달은 주소 공간 공유 없이 통신과 동기화 수행 → 분산 시스템에서 특히 유용

기본 연산

  • send(message)

  • receive(message)

메시지 크기

  • 고정 크기: 구현 단순, 프로그래밍 복잡

  • 가변 크기: 구현 복잡, 프로그래밍 단순

통신 연결 설정

  1. 직접 통신 (Direct communication)

    • send(P, msg), receive(Q, msg)

    • 양 프로세스는 서로 이름을 알아야 함

    • 통신 링크는 1:1, 쌍방향 또는 단방향

  2. 간접 통신 (Indirect communication)

    • 메시지는 **메일박스(mailbox)**에 저장

    • send(mailbox, msg), receive(mailbox, msg)

    • 하나의 메일박스를 여러 프로세스가 공유 가능

동시 수신 문제

  • P1 → 메일박스 A로 전송

  • P2, P3가 A로부터 receive() 호출 시 → 시스템이 라운드 로빈 등 방식으로 결정

메일박스 소유권

  1. 프로세스 소유

    • 해당 프로세스만 수신 가능

    • 종료 시 메일박스도 제거됨

  2. 운영체제 소유

    • 독립적 존재

    • 생성, 삭제, 권한 이전 가능

동기화 방식

방식
설명

Blocking send

송신자는 메시지가 수신될 때까지 대기

Nonblocking send

송신자는 송신 후 바로 계속

Blocking receive

수신자는 메시지 도착 전까지 대기

Nonblocking receive

도착한 메시지 없으면 null 반환

  • 양쪽이 블로킹이면 rendezvous (동시 만남) 발생

  • 이 경우 producer–consumer 문제 해결이 쉬움

메시지 버퍼링

메시지는 임시 큐에 저장됨 → 큐의 크기에 따라 다음 세 가지 형태 존재:

  1. 0 용량 (Zero capacity)

    • 큐 없음, 송신자는 수신자가 받을 때까지 대기

  2. 유한 용량 (Bounded capacity)

    • 크기 n, 꽉 차면 송신자는 대기

  3. 무한 용량 (Unbounded capacity)

    • 이론적으로 무제한

    • 송신자는 절대 대기하지 않음

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