여러 응용 프로그램이 동일한 정보(복사, 붙여 넣기 등)를 원할수도 있음 → 그러한 정보를 병행적으로 접근할 수 있는 환경을 제공해야 함
계산 가속화
특정 태스크를 빨리 실행하고자 함 → 태스크를 서브태스크로 나누어 이를 다른 서브태스크들과 병렬로 실행하면 됨
가속화는 복수 개의 처리 코어를 가진 경우에만 가능
모듈성
시스템 기능을 별도의 프로세스 또는 스레드로 나누어, 모듈식 형태로 시스템을 구성할 수도 있음
프로세스 간 통신 기법
협력적 프로세스들이 서로 데이터를 주고받을 수 있는 기법(IPC)
기본적으로 통신 간에는 두 가지 모델이 존재 → 공유 메모리 모델, 메시지 전달 모델
공유 메모리 모델 공유 메모리 모델
공유 메모리 영역은 협력 프로세들에 의해 공유되는 메모리의 영역
공유 메모리 영역에 데이터를 읽고 쓰고 함으로써 정보를 교환
메시지 전달 모델보다 빠름 ( 시스템 콜을 덜 사용 )
공유 메모리 영역이 구축되면 커널의 도움이 필요 없음
메시지 전달 모델 메시지 전달 모델
통신이 협력 프로세스들 사이에 교환되는 메시지 전달을 통해 이루어짐
충돌을 회피할 필요가 없기에 적은 양의 데이터를 교환하는데 유용
분산 시스템에서 공유 메모리보다 구현하기 쉽다.
공유 메모리 시스템에서의 프로세스 간 통신
공유 메모리 통신을 하기 위해서는, 통신하는 프로세스들이 공유 메모리 영역을 구축해야 한다.
공유 메모리 영역은 공유 메모리 세그먼트를 생성하는 프로세스의 주소 공간에 위치
공유 메모리 세그먼트를 통해 다른 프로세스들은 이 세그먼트를 자신의 주소 공간에 추가해야 함
운영체제는 일반적으로 한 프로세스가 다른 프로세스의 메모리에 접근하는 것을 금지시킴 → 공유 메모리는 둘 이상의 프로세스가 해당 제약 조건을 제거하는 것에 동의하는 것
이후, 프로세스들은 공유 영역에 읽고 씀으로써 정보를 교환
운영체제는 책임을 지지 않으며, 모두 프로세스의 책임 → 동시에 동일 위치에 쓰지 않도록 조심
데이터의 형식과 위치는 프로세스에 의해 결정 → 운영체제의 권한이 아님
협력하는 프로세스의 개념 : 생산자-소비자 문제
생산자 프로세스 → 정보를 생산하는 프로세스
예 : 일반적으로 서버, 웹 콘텐츠를 생산(제공)
소비자 프로세스 → 정보를 소비하는 프로세스
예 : 일반적으로 클라이언트, 자원들을 소비(읽는다).
생산자-소비자 문제 해결책 중 하나 → 공유 메모리 사용
생산자와 소비자 프로세스가 병행되기 위해 필요한 것
생산자가 정보를 채워 넣고, 소비자가 쓰고자 하는 자원의 버퍼가 사용 가능해야 함
쓰고자 하는 자원은 공유하는 메모리 영역에 존재하게 됨
생산자가 한 항목을 생산하고, 그동안 소비자는 다른 항목을 소비 가능
생산자와 소비자가 반드시 동기화되어야 한다. ← 생산되지도 않은 항목들을 소비자가 사용할 위험을 막기 위해
2가지 유형의 버퍼 사용 → 무한 버퍼, 유한 버퍼
무한 버퍼
생산자 문제에서는 버퍼의 크기에 실질적인 한계가 없음
소비자는 새로운 항목을 기다려야 하지만, 생산자는 항상 새로운 항목을 만들 수 있음
유한 버퍼
버퍼의 크기가 고정되어 있다.
모든 버퍼가 채워져 있으면 생산자는 기다려야 함
버퍼가 비어있으면 소비자는 기다려야 함
유한 버퍼가 공유 메모리를 사용해 프로세스 간 통신을 하는 과정
변수 설정
#define BUFFER_SIZE 10 // 담을 수 있는 자원(버퍼) 개수
typedef struct{
// 자원
} item;
item buffer[BUFFER_SIZE];
int in = 0; // 마지막에 넣은 자원(버퍼) + 1 위치
int out = 0; // 첫 자원(버퍼) 위치
- 공유 버퍼는 2개의 논리 포인터(in, out)을 갖는 원형 배열로 구현
- 변수 in : 버퍼 내에 비어있는 다음 위치를 가리킴
- 변수 out : 버퍼 내에 첫번째로 채워져 있는 위치
- in == out → 버퍼가 비어있음
- (in+1)%BUFFER_SIZE == out → 버퍼가 가득 참
- 해당 방식으로는 BUFFER_SIZE - 1 개까지 채울 수 있음
공유 메모리를 사용하는 생산자 프로세스
item next_produced;
while(true){
/* 자원을 생산하여 next_produced 변수에 넣음*/
// 버퍼가 가득 차면 생산을 못하도록 무한 루프
while(((in+1)% BUFFER_SIZE) == out);
buffer[in] = next_produced;
in = (in+1)%BUFFER_SIZE;
}
- 버퍼가 가득차면 생산하지 못하도록 무한 루프
- 그렇지 않으면 in을 하나씩 올려가며 생산한 next_produced를 버퍼에 넣음
공유 메모리를 사용하는 소비자 프로세스
item next_consumed;
while(true){
// 버퍼가 비었으면 더이상 못가져오도록 무한 반복
while(in == out);
next_consumed = buffer[out];
out = (out+1)%BUFFER_SIZE;
/* next_consumed 변수에 다음에 가져올 자원을 담음*/
}
- 버퍼가 비어있으면 소비하지 못하도록 무한 루프
- 그렇지 않으면 out을 하나씩 올려가며 버퍼에서 자원을 가져옴
메시지 전달 시스템에서의 프로세스 간 통신
운영체제가 메시지 전달 설비를 통해 협력 프로세스 간의 통신 수단을 제공해 주는 방법
해당 방식은 공유 주소 공간 없이도 프로세스들이 통신 및 동기화를 허용하는 기법 제공
통신하는 프로세스들이 네트워크에 의해 연결된 다른 컴퓨터들에 존재할 수 있는 분산환경에서 유용
예 : 월드 와이드 웹에 사용되는 chat 프로그램에서 사용되는 메시지 전달 통신
메시지 전달 시스템은 최소 두 가지 연산을 제공 → send(message), receive(message)
프로세스가 보낸 메시지는 고정 길이 일수도, 가변 길이 일수도 있다.
고정 길이일 경우 → 시스템 수준의 구현은 직선적, 프로그래밍 작업은 더 힘듦
가변 길이일 경우 → 복잡한 시스템 수준의 구현, 프로그래밍 작업은 간단해짐
두 프로세스가 통신을 하려면 반드시 통신 연결이 설정되어야 한다.
다양한 구현 방법(send() / receive() 논리적인 구현 방법)
직접 또는 간접 통신
동기식 또는 비동기식 통신
자동 또는 명시적 버퍼링
명명(Naming)
통신을 원하는 프로세스들은 서로를 가리킬 방법이 있어야 함 → 이를 간접/직접 통신에 사용 가능
직접 통신의 경우
통신하는 프로세스는 수신자 또는 송신자의 이름을 명시해야 함
send(P, message) : 프로세스 P에 메시지를 전송한다.
receive(Q, message) : 프로세스 Q로부터 메시지를 수신한다.
해당 기법에서의 통신 연결 특성
통신을 원하는 각 프로세스의 쌍들 사이에 연결이 자동으로 구축된다.
프로세스들은 통신을 위해 상대방의 신원(identity)만 알면 됨
연결은 정확히 두 프로세스 사이에만 연관됨
통신하는 프로세스들의 각 쌍 사이에는 정확하게 하나의 연결만 존재해야 한다.
해당 방식은 주소 방식에서 대칭성 → 송/수신자 프로세스 모두 상대방의 이름을 제시해야 함
해당 기법의 변형 → 비대칭으로 사용
송신자만 수신자 이름을 지명
send(P, message) : 메시지를 프로세스 P에 전송
receive(id, message) : 임의의 프로세스로부터 메시지를 수신
변수 id는 통신을 발생시킨 프로세스의 이름으로 설정됨
단점
대칭/비대칭 기법은 모두 프로세스를 지정하는 방식 때문에 모듈성을 제한
프로세스의 이름을 바꾸면 다른 모든 프로세스 지정 부분을 검사해야 함(하드 코딩 방식)
간접 통신의 경우
메시지들이 메일박스 또는 포트로 송신되고, 그것으로부터 수신됨
메일박스(mail box) : 프로세스들에 의해 메시지들이 추가/제거될 수 있는 객체
각 메일 박스는 고유의 id를 가짐
프로세스는 다수의 상이한 메일박스를 통해 다른 프로세스들과 통신
두 프로세스들이 공유 메일박스를 가질 때만 이들 프로세스가 통신 가능
send(A, message) : 메시지를 메일박스 A로 송신한다.
receive(A, message) : 메시지를 메일박스 A로부터 수신한다.
간접 통신 연결의 성질
한 쌍의 프로세스들 사이의 연결은 이들 프로세스가 공유 메일박스를 가질 때만 구축
연결은 두 개 이상의 프로세스들이 연관될 수 있다.
통신하고 있는 각 프로세스 사이에는 다수의 서로 다른 연결이 존재할 수 있고, 각 연결은 하나의 메일박스에 대응된다.
다수의 프로세스가 동시에 메시지를 수신할 때 어느 프로세스가 받는가?
선택한 기법에 좌우됨
하나의 링크는 최대 두 개의 프로세스와 연관되도록 허용
한순간에 최대 하나의 프로세스가 receive() 연산이 실행되도록 허용
어느 프로세스가 수신할 것인지 시스템이 임의로 결정(알고리즘에 의해)
시스템은 송신자에게 수신자를 알려줄 수 있다.
메일 박스는 한 프로세스 또는 운영체제에 의해 소유될 수 있음
메일 박스가 한 프로세스에게 소유될 경우 → 메일 박스가 프로세스의 주소 공간의 일부다.
메일 박스의 소유자와 사용자를 구분할 수 있음
메일 박스의 소유자 → 메일 박스로부터 메시지를 수신만 가능한 프로세스
메일 박스의 사용자 → 메일 박스로부터 메시지를 송신만 가능한 프로세스
메일박스로 보내진 메시지를 어느 프로세스가 수신받았는지 정확히 알 수 있음
메일 박스를 소유하고 프로세스가 종료할 때 메일 박스는 사라짐 → 메일 박스 사용자 프로세스는 이 사실을 무조건 통보받아야 함
운영체제가 소유한 메일박스(자체적으로 존재함)
독립적인 것으로 어떤 프로세스에 포함되지 않음
운영체제는 한 프로세스에 다음을 할 수 있도록 허용하는 기법을 제공해야 함
새로운 메일 박스를 생성한다.
새로운 메일박스를 생성하는 프로세스는 기본으로 메일 박스의 소유자가 됨 → 초기에는, 소유자만이 메일박스를 통해 메시지를 수신받을 수 있음
메일박스를 통해 메시지를 송/수신한다.
메일박스를 삭제한다.
동기화(Synchronization)
프로세스 간의 통신은 send와 receive 프리미티브에 대한 호출에 의해 발생
각 프리미티브를 구현하기 위한 서로 다른 설계 옵션이 존재 → 메시지 전달 방식의 차이(봉쇄형 - 동기식, 비봉쇄형 - 비동기식)
봉쇄형 보내기 : 송신 프로세스는 메시지가 수신될 때까지 봉쇄
비봉쇄형 보내기 : 송신 프로세스가 메시지를 보내고 작업을 재시작
봉쇄형 받기 : 메시지가 이용 가능할 때까지 수신 프로세스가 봉쇄됨
비봉쇄형 받기 : 송신하는 프로세스가 유효한 메시지 또는 null을 받는다.
send()와 receive()가 모두 봉쇄형(랑데부) 일 때, 생산자 소비자 문제는 쉽게 해결
생산자는 봉쇄형 send()를 호출하고 메시지가 수신자 또는 메일 박스가 전달될 때까지 기다림
