IPC (Inter Process Communicatrion)

Signal

Signal은 프로세스간 동기화를 위해 프로세스간 전송하는 신호를 의미한다.
Software Interrupt 라고도 한다.
커널에서 kill -<SIGNAL_NUMBER> <PROCESS_ID> 명령으로 특정 PROCESS_ID에 ISGNAL_NUMBER에 해당하는 signal을 전달할 수 있다.
signal은 총 64까지 정의되어 있고 1~~31까지가 일반적으로 사용하는 signal이다. 34~~63은 고성능 네트워크 통신을 위한 시그널이다. (32, 33는 미정의)
- kill -l 명령으로 signal 리스트를 확인할 수 있다.
  1. SIGHUP
  2. SIGINT : 인터럽트, Ctrl+C 명령으로 전송 가능
  3. SIGQUIT Coredump시 발생
  4. SIGILL : Illegal instruction
  5. SIGTRAP : debugger is tracing
  6. SIGABRT : Abort process
  7. SIGBUS : bus error
  8. SIGFPE : Floating point exception
  9. SIGKILL : 강제 종료
  10. SIGUSR1 : User-defined signal 1, 마음대로 사용 가능
  11. SIGSEGV : invalid virtual memory reference
  12. SIGUSR2 : User-defined signal 2, 마음대로 사용 가능
  13. SIGPIPE : 반대편이 연결되지 않은 pip에 신호 전송시 발생하는 에러
  14. SIGALRM : alarm() 함수에 의해 발생한 시그널 1
  15. SIGTERM : 종료 요청, SIGKILL(9)보다 안전한 종료 방법, SIGINT와 유사한 성능
  16. SIGSTKFLT : Stack fault
  17. SIGCHLD : 자식 process가 종료될 때 부모에게 전달하는 신호
  18. SIGCONT : SIGSTOP 에 의해 정지된 경우, 다시 시작하라는 신호
  19. SIGSTOP : process 정지
  20. SIGTSTP : process 일시정지, Ctrl+Z 명령으로 전송 가능
  21. SIGTTIN : background 에 있을 때 read 요청을 받은 경우 발생
  22. SIGTTOU : background 에 있을 때 write 요청을 받은 경우 발생
  23. SIGURG : 긴급 통신을 받은 경우 (Out Of Band)
  24. SIGXCPU : 설정된 CPU 사용량을 초과하여 프로세스가 동작 한 경우
  25. SIGXFSZ : 파일 크기가 허용된 크기를 초과한 경우
  26. SIGVTALRM : 프로세스 실행시간 관리를 위한 시그널1
  27. SIGPROF : 프로세스 실행시간 관리를 위한 시그널2
  28. SIGWINCH : Window change
  29. SIGIO, SIGPOLL : Input/output is now possible
  30. SIGPWR, SIGLOST : Power failure
  31. SIGUNUSED, SIGSYS : Unused signal.

Signal Library in C

signal.h 에 정의된 signal 함수로 signal을 무시(ignore)하거나, 시그널 발생시 특정 함수를 동작(catch)시키도록 설정할 수 있다.
처리되지 않은 (ignore 또는 catch 처리) signal을 받으면 기본적으로 해당 프로세스는 종료한다.
SIGKILL(강제종료 용도)과 SIGSTOP(디버깅시 일시정지 용도)시그널을 제외한 모든 시그널을 무시할 수 있다.

signal(SIGNAL, PID)

pid > 0 : PID에 SIGNAL 전달
pid < 0 : PID의 절댓값에 해당하는 groupId를 가진 프로세스들에 SIGNAL 전달
pid == 0 : 자신과 같은 groupId를 가진 프로세스들에 SIGNAL 전달

alarm(TIME) : TIME초 이후 SIGALRM 시그널 발생
- alarm timer가 만기되기 전 새로운 alarm을 호출하면 값을 덮어쓴다. 대신 alarm 함수는 남은 시간을 반환 한다.
- alarm(0) 을 호출하면 알림이 취소된다.

시그널 처리 flag는 bit연산으로 관리된다.
sigset_t 타입의 bit 하나하나들은 1~64까지의 signal을 의미하고, 아래와 같이 set을 연산하여 process에서 signal을 설정할 수 있다.

sigemptyset(siget_t* SET) : SET 모든 비트를 0으로 세팅.
sigfillset(int SIGNAL, sigset_t* SET) : | 연산으로 SET 에서 SIGNAL에 해당하는 비트만 1로 세팅
sigdelset(int SIGNAL, sigset_t* SET) : & 연산으로 SIGNAL에 해당하는 비트만 0으로 세팅
sigismember(int SIGNAL, sigset_t* SET) : SET에서 SIGNAL비트가 1로 세팅되었다면 true 반환
sigprocmask(int HOW, siget_t* NEW, sigset_t* OLD) : 특정 SIGNAL을 무시하도록 설정할 수 있다.
- 필요할 경우 OLD에 siget_t* 타입 변수를 집어넣으면 현재 프로세스에 설정된 set을 담아낸다.
- SIG_BLOCK : NEW에 set된 signal들을 추가로 무시한다.
- SIG_UNBLOCK : NEW에 set 된 signal들의 무시처리를 해제한다.
- SIG_SETMASK : 기존 값에 상관없이 NEW에 set 된 signal들만 무시하도록 set을 덮어쓴다.

signal 을 처리하여 signal에 의해 process가 정지되지 않는 구간을 임계영역 이라 한다.

Pipe

프로세스간 단방향 통신을 위해 프로세스들의 표준 입출력을 서로 교차하여 연결하는 기법이다.
프로세스간 데이터 전송시 주로 사용된다.
flow control이 기본적으로 제공된다.

Pipe Library in C

pipe(int[2] fd) : 파일 디스크립터 두개를 생성하고, 단방향 통신을 생성함
- file descriptor를 두 개 열고, fd[0] fd[1]에 그 번호를 넣어준다.
  - write(fd[1], ...), read(fd[0], ...) 으로 사용
- fd[0]은 writing을, fd[1]은 reading을 위한 descriptor이다.
- 파이프 사용을 마치면 fd[0]과 fd[1]에 대해 각각 close를 해 주어야 한다.
  - close(fd[0]), close(fd[1]) 로 사용
pipe를 생성하고 fork를 호출하면 자식 프로세스는 부모 프로세스의 file descriptor를 모두 가져가기 때문에, 부모와 자식간 pipe를 통해 데이터를 전송할 수 있게 된다. (물론 단방향이다. 양방향을 원한다면 pipe를 두번 생성한다)
쉘에서 명령을 입력할 때 |로 두 명령을 연결시키면, 앞선 명령의 표준 출력 값이 뒷쪽 명령의 input으로 들어간다.
- ex) cat file.txt | grep target : file.txt 파일을 출력한 결과에서(cat) target 이라는 문자열을 찾는다(grep).
- ‘|’ 명령도 pipe로 fd[0], [1]을 생성하고, dup()를 이용해 fd[0]과 fd[1]을 표준 입력/출력 자리로 복사시키는 기법으로 구현한 것이다.
```
int fd[2], pid;
pipe(fd);
pid = fork();
if (pid == 0)
{
    close(fd[1]); // 입력용 파이프 제거
    dup2(fd[0], 0); // 출력 파이프를 표준 입력으로 재배치
    ... // 이후 parent process 동작 수행
}
close(fd[0]); // 출력용 파이프 제거
dup2(fd[1], 1); // 입력 파이프를 표준 출력으로 재배치
... // 이후 child process 동작 수행
```

Message Queue

IPC namespace

이 외에도 공유메모리, 세마포어, 소켓, FIFO 등으로 프로세스간 통신이 가능하다.
그중 message queue, shared memory, semaphore은 IPC 통신을 위한 framework이다.
- 파이프나 FIFO가 file descriptor을 사용해 통신했던 것과 달리, Key_t 타입의 identifier 라는 IPC를 위한 구분자로 채널(통신을 위한 라인)을 구분한다.
- 동일한 구조체를 통해 커널이 관리하며, 인터페이스도 유사하다.
- 권한은 아래와 같은 형태로 관리되며, 실행 권한이 없는 것만 제외하고 파일시스템과 유사하다.
```
  struct ipc_perm {
    ushort uid;
    ushort gid;
    ushort cuid;
    ushort cgid;
    ushort mod;
    ushort seq;
    key_t key;
  }
```
커널에서 ipcs 명령어로 IPC 구성에 대한 정보를 확인할 수 있다.

message queue는 msqid_ds 구조체에 정보를 담아 관리하고, message들은 struct msgbuf 구조의 linked list 형태로 msqid_ds 구조체에 연결된다.
각 message들은 data, length, type을 가지고 있고, type은 사용자가 원하는 대로 설정 가능한 값이다.

struct msgqid_ds {
    struct ipc_perm msg_perm; // 권한
    struct msg *msg_first; // msg linked list 시작점
    struct msg *msg_last; // msg linked list 종료점
    time_t msg_stime; // 마지막 send가 실행된 시각
    time_t msg_rtime; // 마지막 receive가 실행된 시각
    time_t msg_ctime; // 마지막 change가 실행된 시각
    short msg_lspid; // 마지막 send를 한 pid
    ushort msg_lrpid; // 마지막 receive를 한 pid
    ushort msg_qbytes; // message queue의 최대 사이즈
    ushort_msg_cbytes; // message queue에서 사용중인 바이트
}

struct msgbuf {
  long mtype; // message의 타입(자료형이 아니라, 어플리케이션 로직상 구분자), 필수
  char mtext[]; // data, 필수
  // 이외 사용자가 재정의하여 추가적인 데이터를 넣어 헤더를 추가할 수 있다.
}

Message Queue in C Library

int msgget(key_t key, int msgflg) : message queue를 생성 혹은 불러오는 함수
- key는 int 값을 넣어주면 된다.
- 함수 성공시 message queue의 qid를 반환하고, 실패시 -1을 반환한다.
- flag에 IPC_CREAT 가 설정되면 신규로 생성된다. 생성시 권한도 설정 가능하다. ex: IPC_CREAT | 0777
int messagectl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf) : message queue의 상태값을 조회 또는 수정한다.
- cmd 가 IPC_STAT 라면 buf에 현재 상태를 받아오고, IPC_SET 라면 buf의 값으로 message queue 상태를 설정한다.
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg) : message queue에 msgp 데이터를 넣는 함수
- msgp는 위에서 언급한 msgbuf 형태를 따라야 한다.
- msgsz는 msgp안의 mtext 버퍼 크기를 의미한다. (msgp 전체 구조체 크기가 아님)
- msgflg는 blocking 여부(IPC_NOWAIT), size 에러 여부(MSG_NOERROR) 등을 설정 가능하다.
ssize_t msgrcv(int msgqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg) : message queue에서 msgtype에 해당하는 데이터를 msgp에 받아옴
- 반환값은 읽어온 사이즈
- type은 지정하지 않을 경우, queue의 head에 있는 message를 가져옴.
  - type > 0 일 경우, 동일한 타입의 첫번째 메시지를 가져옴
  - type < 0 일 경우, type의 절댓값과 작거나 같은 타입의 첫번째 메시지를 가져옴
- flag는 msgsnd 함수와 유사

Semaphore

다중 리소스에 대해 critical section을 처리하는 방법(mutex는 하나의 리소스를 보호에 사용)
struct semid_ds 구조체 형태로 관리되며, 보호할 리소스의 정보를 struct sem *sem_base 인자에 담아 관리하며, sem_nsems 인자는 semaphore가 관리하는 리소스의 갯수를 나타낸다.

Semaphore in C Library

int semop(int sid, struct sembuf* s_buf, size_t num) : semaphore을 조작하는 함수
- sid : semaphore id, 식별자
- s_buf : operation. 동작에 대한 상세 정보를 sembuf* 타입에 기록한 후 인자에 적용한다. 배열 형태로 여러개 적용 가능
  - s_buf.sem_num: 세마포어 번호
  - s_buf.sem_op : 세마포어 연산
  - s_buf.sem_flg : 작동 플래그
- num : operation의 갯수
int semctl(int sid, int num, int cmd, union semun arg) : semaphore 설정을 가져오거나 수정
- sid : semaphore id, 식별자
- num : 세마포어가 관리하는 리소스 중 함수로 접근을 원하는 대상의 index
- cmd : 명령
  - GETVAL 세마포어의 현재 값을 구한다.
  - GETPID 가장 최근에 접근했던 프로세스의 프로세스 ID를 구한다.
  - GETNCNT 세마포어 대기중인 프로세스의 개수
  - GETZCNT 세마포어 값이 0 이 되기를 기다리는 프로세스의 개수
  - GETALL 세마포어 집합의 모든 세마포어 조회
  - SETVAL 세마포어 값을 설정
  - SETALL 세마퍼어 집합의 모든 세마포어 값을 설정
  - IPC_STAT 세마포어의 상세 정보 확인
  - IPC_SET 세마포어의 권한 설정
  - IPC_RMID 세마포어 집합 삭제
- arg : 조회 명령시에는 해당 값에 정보를 받아오고, 설정 명령시에는 해당 값을 적용

p연산 : semaphore에 리소스를 사용하고 있다고 체크하는 연산

struct sembuf s_buf = {0,};
s_buf.sem_num = 0;
s_buf.sem_op = -1; // 한개 만큼 사용
semop(semid, &s_buf, 1); // 한 개 operation 수행

v연산 : semaphore에 리소스를 반환했다고 체크하는 연산

struct sembuf s_buf = {0,};
s_buf.sem_num = 0;
s_buf.sem_op = 1; // 한개 만큼 사용
semop(semid, &s_buf, 1); // 한 개 operation 수행

Shared Memory

프로세스간 공용으로 사용할 수 있는 영역의 메모리를 선언하는 방법
race condition을 해결 할 수는 없으므로, semaphore와 함께 사용해야 한다.

Shared Mmory in C Library

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg) : shared memory를 생성하거나 key값으로 identifier를 가져오는 함수
- size : shared memory의 크기
- 생성 : shmget(key, sizeof(YOUR_STRUCT), IPC_CREAT)
- 참조 : shmget(key, sizeof(YOUR_STRUCT), 0)
- YOUR_STRUCT는 메모리 참조시 사용할 포멧
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg) : 가상메모리를 할당하는 작업. attach
- shmid : shared memory id, 식별자
- shmaddr : 공유 메모리 연결 주소 (보통 NULL로 사용)
- 반환값 : shared memory에 접근할 수 있는 포인터
- ex) YOUR_STRUCT *ptr = (YOUR_STRUCT*)shmat(shmid, 0, 0);
int shmdt(const void *shmaddr) : 가상메모리를 환원하는 작업. detach
- ex) shmdt(shmid);
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf) : 공유 메모리에 대한 정보를 가져오거나 설정하는 함수
- shmid : shared memory id, 식별자
- cmd : 제어 명령
  - IPC_STAT : shared memory 값 받아와 buf에 작성
  - IPC_SET : buf의 값으로 해당 shared memory 정보 갱신
  - IPC_RMID : shared memory를 시스템에서 삭제
- buf : 조회 명령시에는 해당 값에 정보를 받아오고, 설정 명령시에는 해당 값을 적용

IPC (Inter Process Communicatrion)#

Signal#

Signal Library in C#

Pipe#

Pipe Library in C#

Message Queue#

IPC namespace#

Message Queue in C Library#

Semaphore#

Semaphore in C Library#

Shared Memory#

Shared Mmory in C Library#

IPC (Inter Process Communicatrion)

Signal

Signal Library in C

Pipe

Pipe Library in C

Message Queue

IPC namespace

Message Queue in C Library

Semaphore

Semaphore in C Library

Shared Memory

Shared Mmory in C Library