1. Inter Process Communication

운영체제에서 각 프로세스는 고유한 메모리가 할당되어 서로 독립적으로 실행됩니다. 하지만 여러 프로세스가 동시에 실행되는 멀티프로세스 환경에서는 다른 프로세스와 데이터를 주고받아야 하는 상황이 발생할 수 있습니다. 이를 위해 운영체제에는 프로세스 간의 데이터 전송, 동기화 등을 담당하는 IPC(Inter Process Communication)라는 메커니즘이 존재합니다.

IPC는 소프트웨어의 성능, 모듈화, 시스템 상황 등 여러 요구사항과 맞물려 다양한 형태로 구현되었습니다.

2. File

파일(File)을 이용한 IPC 메커니즘은 파일 시스템을 사용하여 여러 프로세스가 공유 파일에 데이터를 쓰고 읽는 방식으로 동작합니다.

언뜻 보면 간단해 보이지만 여러 제약사항 때문에 현재는 잘 사용하지 않고 있습니다.

우선 여러 프로세스가 동시에 하나의 파일에 접근하는 경우 동기화 이슈가 발생할 수 있는데, 이를 위해 mutex, semaphore, file locking 등과 같은 추가적인 메커니즘이 필요합니다. 또한 파일로 데이터를 주고받기 때문에 파일을 열고 닫고 데이터를 읽고 쓰는 과정에서 오버헤드가 발생할 수 있어서 다른 IPC 방식보다 속도가 느릴 수 있습니다. 보안 이슈도 발생할 수 있는데 파일 시스템에 데이터를 저장하기 때문에 공유 파일에 대한 접근 권한만 있으면 누구나 데이터를 확인할 수 있다는 문제가 있습니다.

이러한 제약사항 때문에 간단한 통신이나 데이터의 규모가 작은 경우에는 파일을 이용한 통신이 적합할 수 있지만, 대부분의 상황에서는 다른 IPC 메커니즘을 사용하는 게 더 효율적입니다.

3. Signal

시그널(Signal)은 특정 이벤트를 프로세스로 전달하는 소프트웨어 신호입니다. 예를 들면 인터럽트 시그널(Ctrl+C)과 같은 사용자의 명령이나 하드웨어 인터럽트 신호를 특정 프로세스에 전달하여 해당하는 명령을 수행하도록 합니다.

이벤트를 받은 프로세스가 수행할 작업은 시그널 핸들러라는 함수 내부에 정의할 수 있습니다. 그리고 signal() 혹은 sigaction() 와 같은 시스템 호출 함수를 통해 특정 시그널 수신 시에 실행될 시그널 핸들러를 설정할 수 있습니다.

본래 시그널이 IPC 때문에 만들어진 기능은 아니지만 프로세스간의 통신 메커니즘으로 사용할 수도 있습니다. 특히 SIGUSR1과 SIGUSR2와 같은 사용자 정의 시그널을 활용할 수 있는데, 프로세스가 해당 시그널에 대한 시그널 핸들러를 등록하여 사용자가 정의한 상황이 발생할 때마다 다른 프로세스에 이벤트를 전달할 수 있습니다.

이러한 시그널은 비동기적으로 전달되기 때문에 송수신 간의 동기화가 필요하지 않습니다. 따라서 간단한 구현이 가능하면서도 신속하게 메시지를 전달할 수 있습니다. 다만 시그널의 기본적인 목적이 특정한 이벤트를 전달이기 때문에 큰 데이터를 전달하 는데에는 적합하지 않습니다. 또한 추가적인 시그널 핸들러를 등록하고 관리해야 하는 번거로움이 생길 수 있습니다.

4. Socket

본래 네트워크 인터페이스는 프로세스뿐 아니라 다른 컴퓨터에도 데이터를 전송하도록 고안된 메커니즘입니다. 이러한 소켓(Socket) 통신을 로컬 프로세스간에 사용하도록 하여 IPC를 구현할 수 있습니다.

소켓을 사용하면 프로세스 간의 양방향 통신이 가능합니다. 또한 대용량의 데이터도 전달할 수 있습니다. 이때 신뢰성 있는 연결 지향 통신(TCP/IP)이나 비연결성의 빠른 통신(UDP) 중에서 요구사항에 적합한 프로토콜을 선택할 수도 있습니다. 또한 SSL/TLS 같은 보안 프로토콜을 사용한다면 안전한 통신을 보장할 수 있습니다.

자세한 소켓의 동작에 대해서는 해당 포스트에 설명해 두었습니다.

5. Message Queue

메시지 큐(Message Queue)를 사용하여 프로세스끼리 통신할 수도 있습니다. 메시지를 보내는 프로세스가 큐에 메시지를 입력하면 다른 프로세스가 큐에서 메시지를 읽어가는 방식으로 작동합니다.

메시지 큐를 사용하면 직접 연결되지 않은 여러 프로세스끼리 비동기적으로 통신이 가능합니다. 또한 운영체제에서 기본적으로 제공하는 기능이라 안정성과 신뢰성이 보장됩니다.

6. Shared Memory

공유 메모리(Shared Memory) 방식은 여러 프로세스가 동일한 물리적인 메모리 공간에 접근하여 통신하는 방법입니다. 한 프로세스가 다른 프로세스도 접근 가능한 영역을 생성하고 이를 다른 프로세스에 공유하는 방식으로 작동합니다. 이렇게 하면 다른 프로세스는 공유 메모리에 직접 데이터를 읽고 쓸 수 있습니다.

여러 프로세스가 동일한 메모리 공간에 직접 접근하기 때문에 앞서 설명드린 IPC 기법과 비교했을 때 훨씬 빠르게 통신할 수 있습니다. 하지만 메모리 공간을 직접 공유하는 방식이라서 같은 호스트 내부의 프로세스끼리만 통신이 가능하여 확장성이 떨어질 수 있습니다. 또한 다수의 프로세스가 접근하는 경우 데이터의 동기화 이슈가 발생할 수 있습니다.

일반적으로 여러 프로세스가 동일한 라이브러리를 사용하는 경우 해당 라이브러리의 코드와 데이터는 메모리에 한 번만 불러오게 됩니다. 그리고 프로세스가 라이브러리의 특정 메모리 페이지를 수정하게 된다면 해당 수정 내용은 프로세스 개별적으로만 반영되어야 합니다. 여기서 수정이 필요한 페이지는 Copy-on-Write 메커니즘을 사용하여 처리되는데, 페이지에 수정 요청이 들어온 경우에 새로운 페이지를 할당하여 변경된 내용을 입력하게 됩니다. 이런 방법으로 여러 프로세스가 동일한 라이브러리를 공유하면서도 필요한 경우에만 페이지가 복제되어 독립성을 유지할 수 있습니다.

References

운영체제에서 프로세스간 통신