IPC (Inter-Process Communication)

Table of Contents

1. IPC의 개념과 목적

1.1 IPC란 무엇인가?

IPC (Inter-Process Communication)는 운영체제 내의 서로 독립적인 프로세스 간에 정보를 주고받을 수 있도록 해주는 메커니즘입니다. 각 프로세스는 독립적인 메모리 공간을 가지고 있어 직접 메모리를 공유할 수 없습니다. 이러한 제약 속에서 데이터를 안전하고 효율적으로 교환하려면 운영체제 차원의 IPC 기법이 필요합니다.

1.2 IPC의 목적

목적	설명
데이터 교환	프로세스 간 텍스트, 파일, 객체 등 다양한 정보를 전달
자원 공유	메모리, 장치, 파일 등 자원의 공동 사용
작업 분산	기능을 여러 프로세스에 분산하여 병렬 처리
프로세스 협업	클라이언트-서버 구조, 생산자-소비자 모델 등의 구성
효율적인 동기화	경쟁 조건(race condition) 및 충돌 방지

2. IPC 주요 기법 3가지

운영체제는 여러 가지 IPC 방식을 제공합니다. 그 중에서도 실무와 시험에 가장 빈번하게 등장하는 대표적인 3가지 방식은 다음과 같습니다.

2.1 메시지 큐 (Message Queue)

커널 공간에 생성된 큐(Queue) 형태의 버퍼를 이용해 프로세스 간 메시지 송수신
송신자와 수신자가 동시에 존재하지 않아도 비동기 통신 가능
메시지는 식별 번호와 함께 큐에 저장되며, 수신자는 원하는 메시지를 검색해서 가져올 수 있음

장점:

서로 다른 주소 공간에서도 안전하게 통신 가능
동기화가 비교적 쉬움

단점:

커널을 거치므로 속도는 다소 느릴 수 있음
메시지 크기에 제한이 존재

관련 시스템 콜: msgget(), msgsnd(), msgrcv(), msgctl()

2.2 공유 메모리 (Shared Memory)

두 개 이상의 프로세스가 같은 물리 메모리 영역을 공유하도록 설정
매우 빠른 데이터 접근 속도 제공

장점:

가장 빠른 IPC 방식
대용량 데이터 전송에 적합

단점:

접근 순서나 타이밍을 보장하지 않으므로 동기화가 필수
잘못된 접근은 데이터 충돌을 유발할 수 있음

관련 시스템 콜: shmget(), shmat(), shmdt(), shmctl()

2.3 파이프 (Pipe)

한 프로세스의 출력이 다른 프로세스의 입력으로 사용되는 단방향 통신 채널
기본적으로 부모-자식 프로세스 간 통신에 적합

종류:

익명 파이프 (Unnamed Pipe): pipe()를 이용, 동일 프로세스 트리 내에서 사용
명명된 파이프 (Named Pipe, FIFO): mkfifo()로 생성, 서로 다른 프로세스 간 통신 가능

장점:

간단한 구조와 구현
프로세스 간 기본적인 통신 수단

단점:

메모리 공유가 아니기 때문에 속도는 공유 메모리보다 느림
단방향 통신만 지원 (양방향은 별도 구현 필요)

3. 기타 IPC 기법 (보충)

기법	설명
소켓 (Socket)	네트워크를 통한 프로세스 간 통신, 로컬 또는 원격에서 사용
메모리 매핑 파일 (mmap)	파일을 메모리 공간에 매핑하여 빠른 데이터 접근 지원
신호 (Signal)	프로세스 간 간단한 알림 메시지 전달
D-Bus	리눅스 환경에서 데스크탑 프로세스 간 통신을 위한 고수준 IPC
RPC (Remote Procedure Call)	네트워크 기반의 함수 호출 방식 IPC

4. 공유 자원의 충돌이나 일관성 문제를 해결하기 위한 동기화 기법

공유 메모리나 파일을 동시에 여러 프로세스가 접근할 경우 경쟁 상태(Race Condition)가 발생할 수 있으며, 이로 인해 데이터 손상, 시스템 불안정 등이 야기됩니다. 이를 해결하기 위한 대표적인 동기화 기법은 다음과 같습니다.

4.1 뮤텍스 (Mutex)

상호배제(Mutual Exclusion)의 약자
하나의 프로세스만 자원에 접근할 수 있도록 잠금(Lock)과 해제(Unlock)를 제공
크리티컬 섹션 보호에 가장 많이 사용

예: POSIX pthread_mutex_lock() / unlock()

4.2 세마포어 (Semaphore)

자원에 대한 접근 가능 횟수를 제한하는 변수
두 개의 연산 P(wait)와 V(signal)로 자원 제어
이진 세마포어 (Binary)와 카운팅 세마포어 (Counting)로 구분됨

예: sem_init(), sem_wait(), sem_post()

4.3 모니터 (Monitor)

동기화가 내장된 고급 언어 수준의 추상화 구조
하나의 스레드만 모니터에 진입 가능
조건 변수(Condition Variable)를 사용하여 조건부 대기 및 깨우기 기능 제공

예: Java의 synchronized, Python의 with threading.Lock()

4.4 조건 변수 (Condition Variable)

일정 조건이 만족될 때까지 대기(wait)하거나 조건이 충족되면 알림(notify)을 주는 방식
뮤텍스와 함께 사용되어 자원 접근을 정교하게 제어

5. IPC 설계 시 고려사항

항목	내용
보안	데이터 변조, 스푸핑 방지
속도	메시지 큐/파이프보다 공유 메모리 속도가 우수
동기화	공유 방식의 경우 반드시 충돌 방지 기술 필요
확장성	로컬 통신에서 분산 환경까지 확장이 용이한가
복잡도	사용 목적에 따라 적절한 IPC 선택 필요

6. 정리 요약

항목	설명
IPC 개념	프로세스 간 정보 교환 및 협업을 위한 기술
목적	데이터 교환, 자원 공유, 병렬 처리, 동기화
주요 기법	메시지 큐, 공유 메모리, 파이프
동기화 기술	뮤텍스, 세마포어, 모니터, 조건 변수 등
기타 기법	소켓, RPC, D-Bus, 메모리 매핑 등

IPC는 운영체제와 병렬/분산 프로그래밍의 핵심 기술로, 다양한 환경에서 안전하고 효율적인 프로세스 협업을 가능하게 합니다. 기술 선택 시 시스템 특성과 성능 요구사항, 데이터 크기, 동기화 필요 여부 등을 종합적으로 고려해야 합니다.