[UNIX] ⑧ IPC(프로세스간 통신)

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[UNIX] ⑧ IPC(프로세스간 통신) 본문

학교/유닉스 프로그래밍

[UNIX] ⑧ IPC(프로세스간 통신)

_eun 2020. 12. 9. 01:01

1. Advanced IPC facilities

IPC(Inter-Process Communication)

같은 시스템 내에 있는 프로세스끼리 정보를 공유할 수 있는 메커니즘 제공
- message queues
- semaphores
- shared memory
한 번 만들면 계속 사용할 수 있음
여러 프로세스가 한 객체로 인식

mechanism	function	desc
message queues	msgctl	속성 변경
	msgget	생성 혹은 접근
	msgrcv	receive 메세지
	msgsnd	send 메세지
semaphores	semctl	속성 변경
	semget	생성 혹은 접근
	semop	operation 실행(wait 혹은 post)
shared memory	shmctl	속성 변경
	shmget	생성, 초기화 혹은 접근
	shmat	메모리를 프로세스에 attach
	shmdt	메모리를 프로세스에서 detach

Permission Structure

IPC 객체가 생성될 때, 시스템은 IPC facility status structure도 함께 생성한다.

struct ipc_perm {     
    uid_t  uid;  /* owner's effective user id */     
    gid_t  gid;  /* owner's effective group id */     
    uid_t  cuid; /* creator's effective user id */     
    gid_t  cgid; /* creator's effective group id */     
    mode_t mode; /* access modes */           
    …
};

uid와 uid는 mode와 함께 접근 권한을 결정한다.
IPC facility가 생성될 때 umask 값은 영향을 받지 않는다.
IPC 생성자와 superuser만 msgctl(), semctl(), shmctl()을 호출하여 uid, gid, mode 필드를 수정할 수 있다.

Identifiers and Keys

key
- IPC 객체의 외부 이름
- get() 함수로부터 IPC 구조체가 생성되면, key가 지정된다.
- <sys/types.h>에 있는 key_t 타입
Identifier
- IPC 객체의 내부 이름
- non-negative integer
- get() 함수로부터 얻어진다.
- file descriptor와 유사하게 행동하지만, file descriptor와 다른 점은 다른 프로세스가 같은 identifier 값으로 같은 IPC 객체를 사용할 수 있다.

`ftok()`

key_t ftok(const char* path, int id):

status	return value
success	key
error	-1

argument

name desc

path 이미 존재하는 파일

id id의 하위 8비트만 사용됨
path와 id를 IPC key라고 불리는 key_t로 변환해준다.
path와 id의 결합은 유니크하게 IPC 객체를 식별한다.
path가 존재하지 않거나 접근할 수 없으면 에러가 발생하여 -1를 return한다.

name	desc
path	이미 존재하는 파일
id	`id`의 하위 8비트만 사용됨

IPC key로 IPC identifier 생성하기

pathname과 id로 ftok() 호출하여 IPC key 값 생성
IPC_PRIVATE을 사용하여 시스템에서 key 값 생성
user-defined key, 저장되어 있던 key 사용

shell에서 IPC 자원 접근하기

$ ipcs

2. Message Queue

Message queue

서로 다른 프로세스끼리 메시지를 주고 받을 수 있다.
메세지의 링크드 리스트는 커널에 저장되고 message queue identifier로 식별된다.

/* <sys/msg.h> */
struct msqid_ds {        
    struct ipc_perm     msg_perm;          /* see ch08_ipc1-p.29 */
    struct msg*         msg_first;         /* ptr to first message on queue */
    struct msg*         msg_last;          /* ptr to last message on queue */
    msglen_t            msg_cbytes;        /* current #bytes on queue */
    msgqnum_t             msg_qnum;          /* # of messages on queue */
    msglen_t             msg_qbytes;        /* max # of bytes on queue */
    pid_t                 msg_lspid;         /* pid of last msgsnd() */
    pid_t                 msg_lrpid;         /* pid of last msgrcv() */
    time_t                 msg_stime;         /* last-msgsnd() time */
    time_t                 msg_rtime;         /* last-msgrcv() time */
    time_t                 msg_ctime;         /* last-change time */
};

data structure

`msgget()`

int msgget(key_t key, int flag);

status	return value
success	`key`와 관련된 identifier
error	-1

error

errno	cause
EACCESS	key에 대한 메세지큐가 존재하지만, 권한이 없을 때
EEXIST	key에 대한 메세지큐가 존재하지만, `((flag&IPC_CREAT) && (flag&IPC_EXCL)) == 1` 일 때
ENOENT	key에 대한 메세지큐가 존재하지 않지만, `(msgflg & IPC_CREAT) == 0` 일 때
ENOSPC	메시지 큐에 대한 시스템 전체 제한이 초과됨

`msgsnd()`

int msgsnd(int msgid, const void* ptr, size_t nbytes, int flag);

status	return value
success	0
error	-1

argument

name desc

ptr user defined buffer의 포인터

nbytes mymesg.mtext의 크기

flag IPC_NOWAIT을 지정하지 않으면, 메세지를 위한 공간이 생길 때까지 block

`msgrcv()`

ssize_t msgrcv(int msqid, void* ptr, size_t nbytes, long type, int flag);

status	return value
success	메세지의 데이터 부분의 사이즈
error	-1

argument

name	desc
ptr	user defined buffer의 포인터
nbytes	mymesg.mtext의 크기

nbytes

type	action
== 0	큐에서 첫 번째 메세지 삭제
> 0	큐에서 `type` 유형의 첫 번째 메세지 삭제
< 0	`type`의 절대값보다 작거나 같은, 가장 낮은 `type`의 첫 번째 메세지 삭제

flag : IPC_NOWAIT, MSG_NOERROR
- 리턴된 메세지가 nbytes보다 크고 flag에 MSG_NOERROR 비트가 설정되어 있으면, nbytes 이후의 메세지를 버려진다.
- 메세지가 너무 크고 flag를 지정하지 않으면, E2BIG이 리턴된다.

`msgctl()`

int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds* buf);

status	return value
success	0
error	-1

argument

cmd

cmd	desc
IPC_STAT	`buf`에 `msqid_ds` 데이터 구조의 멤버를 복사한다
IPC_SET	`buf`를 `msqid_ds` 데이터 구조의 멤버로 설정한다
IPC_RMID	`msqid`의 메세지큐를 삭제하고 상응하는 `msqid_id`를 제거한다

msqid로 식별된 메세지 큐의 권한을 변경하거나 해제할 수 있다.

3. Semaphore

Semaphore

세마포어는 wait()와 signal()을 가지는 정수 변수이다.
- wait() : down, P, lock -> semaphore 값 - 1
- signal() : up, V, unlock, post -> semaphore 값 +1

wait(&sem);
/* critical section */
signal(&sem);

세마포어 요소의 배열로 구성되어 있다.

#include <sys/sem.h>
struct semid_ds {
  struct ipc_perm     sem_perm; 
  struct sem     *sem_base;  /* ptr to array of semphores in set */
  ushort_t      sem_nsems;     /* # of semaphores in set */
  time_t         sem_otime; /* last-semop() time */ 
  time_t         sem_ctime; /* last-change time */ 
};

struct sem {
  ushort_t      semval;        /* semaphore value, nonegative*/
  short         sempid;        /* PID of last successful semop(), SETVAL, SETALL*/
  ushort_t     semncnt;       /* # awaiting semval > current value */
  ushort_t     semzcnt;       /* # awaiting semval = 0 */
};

name	desc
semval	음이 아닌 정수로 나타내는 세마포어의 값
sempid	세마포어를 조작한 가장 최근 프로세스의 pid
semncnt	세마포어 값이 증가하기를 기다리는 프로세스의 수
semzcnt	세마포어 값이 0이 되길 기다리는 프로세스의 수

세마포어는 두 개의 큐를 가지고 있다
1. 세마포어 값이 0이 되길 기다리는 프로세스의 큐
2. 세마포어 값이 증가하길 기다리는 프로세스의 큐
구조

`semget()`

int semget(key_t key, int nsems, int flag);

status	return value
success	semaphore identifier
error	-1

argument

nsems : set에 있는 세마포어 요소들의 개수
- 0일 경우 이미 있는 집합 참조

error

errno	cause
EACCESS	key에 대한 세마포어가 존재하지만, 권한이 없을 때
EEXIST	key에 대한 세마포어가 존재하지만, `((flag&IPC_CREAT) && (flag&IPC_EXCL)) == 1` 일 때
EINVAL	`nsems`가 0보다 작거나 시스템 제한보다 크거나, 세마포어 집합 크기와 맞지 않을 때
ENOENT	key에 대한 세마포어가 존재하지 않고 `(flag & IPC_CREAT) == 0` 일 때

`semctl()`

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, .../* union seun arg */);

argument

arg : cmd 값으로 설정

  union semun {     
      int              val;    /* for SETVAL */     
      struct semid_ds *buf;    /* for IPC_STAT and IPC_SET */     
      unsigned short  *array;  /* for GETALL and SETALL */
  };

세마포어의 각 요소들을 사용하기 전에 semctl()로 꼭 초기화해야 한다.

`semop()`

식별자 semid와 연관된 세모포어 집합에 대해 사용자 정의 세마포어 연산의 집합을 자동적으로 수행한다.

int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops);

status	return value
success	0
error	-1

sembuf structure

  struct sembuf {   
      unsigned short  sem_num;  /* member # in set (0, 1, ..., nsems-1) */   
      short           sem_op;   /* operation (negative, 0, or positive) */   
      short           sem_flg;  /* IPC_NOWAIT, SEM_UNDO */ 
  };

sem_op

sem_op action

양수 semval을 sem_op만큼 증가시킨다

음수 abs(sem_op)보다 semval가 더 클 때, semval을 abs(sem_op)만큼 감소시킨다

sem_op	action
양수	`semval`을 `sem_op`만큼 증가시킨다
음수	`abs(sem_op)`보다 `semval`가 더 클 때, `semval`을 `abs(sem_op)`만큼 감소시킨다

`semop()` : SEM_UNDO

프로세스에 세마포어가 할당 된 리소스가 있는데, 프로세스가 종료되면 문제가 된다.
예를 들어, 어떤프로세스가 p연산을 하고 v연산을 하기 전에 죽는 경우, 다른 세마포어를 기다리는 프로세스는 영원히 waiting 한다.
SEM_UNDO를 사용하면 이런 경우를 방지할 수 있다.
how?
1. 세마포어 작업에 대해 SEM_UNDO flag를 지정하고 리소스를 할당한다(sem_op < 0, p연산).
2. 커널은 우리가 그 특정한 세마포어(abs(sem_op))로부터 얼마나 많은 자원을 할당했는지를 기억한다.
3. 프로세스가 자발적으로 또는 비자발적으로 종료될 때, 커널은 프로세스가 미결된 세마포어 조정이 있는지 여부를 확인하고, 있다면 해당 세마포어에 조정을 적용한다(v연산).

4. Shared memory

Shared Memory

공유 메모리는 여러 프로세스가 같은 메모리 세그먼트를 쓰고 읽을 수 있도록 허용해준다.
클라이언트와 서버간 데이터 복사가 없기 때문에 IPC 중 가장 빠르다.
서버가 데이터를 공유메모리 지역에 놓을 때 이 작업이 끝날 때까지 클라이언트는 그 데이터에 접근하면 안된다.
- 가끔 이러한 것을 동기화시키기위해 세마포어가 사용된다.

struct shmid_ds {    
    struct ipc_perm shm_perm;   /* see Section 15.6.2 */     
    size_t shm_segsz;           /* size of segment in bytes */     
    pid_t shm_lpid;             /* pid of last shmop() */     
    pid_t shm_cpid;             /* pid of creator */     
    shmatt_t shm_nattch;        /* number of current attaches */    
    time_t shm_atime;           /* last-attach time */     
    time_t shm_dtime;           /* last-detach time */     
    time_t shm_ctime;           /* last-change time */ 
    . . . 
};

`shmget()`

int shmget(key_t key, size_t size, int flag);

argument

size : 메모리 세그먼트의 최소 사이즈(바이트)

errno

errno	cause
EACCESS	key에 대한 공유 메모리가 존재하지만, 권한이 없을 때
EEXIST	key에 대한 공유 메모리가 존재하지만, `((flag&IPC_CREAT) && (flag&IPC_EXCL)) == 1` 일 때
EINVAL	공유 메모리 세그먼트는 생성되지 않지만, 크기가 시스템에서 지정한 한계 또는 키의 세그먼트 크기와 일치하지 않을 때
ENOENT	key에 대한 세마포어 identifier가 존재하지 않고 `(flag & IPC_CREAT) == 0` 일 때
ENOSPC	메모리가 부족하여 지정된 공유 메모리 세그먼트를 만들 수 없을 때

`shmat()`

shmid로 지정한 공유 메모리 세그먼트를 호출 프로세스의 주소 공간에 부착하고 shm_nattch 값을 증가시킨다.

void* shmat(int shmid, const coid* addr, int flag);

status	return value
success	공유메모리의 포인터
error	-1

argument

addr

value	action
0	(권장) 커널에서 선택한 첫 번째 사용가능한 주소로 세그먼트를 attach한다
not 0, not SHM_RND	`addr`로 주어진 주소에 세그먼트를 attach한다, 자동으로 메모리의 처음으로 맞춰줌
not 0, SHM_RND	`addr - (addr mod SHMLBA)`로 주어진 주소에 세그먼트를 attach한다

SHM_RND : 반올림
SHMLBA : low boundary address muliple, 2의 배수

`shmdt()`

int shmdt(void* addr);

status	return value
success	0
error	-1

addr은 shmat()의 리턴값이다.
성공하면 shmid_ds의 shm_nattch 카운터를 1 감소시킨다.

`shmctl()`

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ids* buf);

status	return value
success	0
error	-1

argument

cmd

cmd	desc
IPC_STAT	`buf`에 `shmid_ds` 데이터 구조의 멤버를 복사한다
IPC_SET	공유 메모리 세그먼트 `shmid`의 필드 값을 `buf`로 설정한다
IPC_RMID	`shmid` 공유 메모리 세그먼트를 삭제하고 `shmid_ds`를 제거한다
SHM_LOCK	메모리에서 공유 메모리 세그먼트를 lock
IPC_STAT	공유 메모리 세그먼트 unlock

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