공유메모리(shared memory) 보통 프로세스에서 사용되는 메모리영역은 해당 프로세스만이 사용할수 있다. 하지만 때때로 여러개의 프로세스가 특정 메모리영역을 사용했으면 하는때가 있을것이다. System V IPC 설비중의 하나인 "공유메모리"를 통해서 이러한일을 할수있다.

개 요

모든 프로세스는 자신의 업무를 수행하기 위해서 필요한 자료를 저장하기 위한 메모리 공간을 가지게 된다. 이러한 메모리공간에는 CPU에 의해 수행되는 명령어들, 프로그램 시작시 정의되고 초기화된 데이타, 프로그램 시작시 정의되었지만 초기화 되지 않은 데이타, 함수호출에 필요한 정보, 동적할당이 이루어지는 데이타등 이 들어가게 된다.

프로세스는 시작시 혹은 실행중에 이러한 데이타를 저장하고 사용하기 위한 메모리 공간을 커널에 요구하여서 할당받아 사용하게 되는데, 이러한 메모리공간은 기본적으로 메모리를 요청한 프로세스만이 접근가능하도록 되어있다. 하지만 가끔은 여러개의 프로세스가 특정 메모리 공간을 동시에 접근해야할 필요성을 가질때가 있을것이다. 공유메모리는 이러한 작업을 위한 효율적인 방법을 제공한다.

공유메모리는 여러 IPC 중에서 가장 빠른 수행속도를 보여준다. 그이유는 하나의 메모리를 공유해서 접근하게 되므로, 데이타 복사와 같은 불필요한 오버헤드가 발생하지 않기 때문으로, 빠른 데이타의 이용이 가능하다.
 

그러나 하나의 프로세스가 메모리에 접근중에 있을때, 또다른 프로세스가 메모리에 접근하는 일이 발생하면 자칫 데이타가 홰손될수 있을것이므로, 한번에 하나의 프로세스가 메모리에 접근하고 있다는걸 보증해줄수 있어야 할것이다.

다음은 공유메모리에 관련된 함수들의 모음이다.

공유메모리는 어떻게 할당되는가

Unix 버젼에 따라서 멤버변수들이 약간씩 차이를 보일수 있다.

shm_perm

공유메모리는 여러개의 프로세스가 동시에 접근 가능하므로, 파일과 같이 그 접근권한을 분명히 명시해줘야 한다.

shm_segsz

할당된 메모리의 byte 크기이다

shm_atime

가장최근의 프로세스가 세그먼트를 attach한 시간

shm_dtime

가장최근의 프로세스가 세그먼트를 detach한 시간

shm_ctime

마지막으로 이 구조체가 변경된 시간

shm_cpid

이 구조체를 생성한 프로세스의 pid

shm_lpid

마지막으로 작동을 수행한 프로세스의 pid

shm_nattch

현재 접근중인 프로세스의 수

shmget

shmget 은 커널에 공유메모리 공간을 요청하기 위해 호출하는 시스템 호출 함수이다. key 는 바로 위에서 설명했듯이 고유의 공유메모리임을 알려주기 위해서 사용된다. shmget 을 이용해서 새로운 공유메모리 영역을 생성하거나 기존에 만들어져있던 공유메모리 영역을 참조할수 있다.

첫번째 아규먼트는 여러개의 공유메모리중 원하는 공유메모리에 접근하기 위한 Key 값이다. 이 Key 값은 커널에 의해서 관리되며, Key 값을 통해서 선택적인 공유메모리에의 접근이 가능하다. 두번째 아규먼트는 공유메모리 의 최소크기 이다. 새로운 공유메모리를 생성하고자 한다면 크기를 명시해주어야 한다. 존재하는 메모리를 참조한다면 크기는 0으로 명시한다.

3번째 아규먼트는 공유메모리의 접근권한과, 생성방식을 명시하기 위해서 사용한다.
아규먼트의 생성방식을 지정하기 위해서 IPC_CREAT 와 IPC_EXCL 을 사용할수 있다.

아래 이들에 대해서 설명을 해두었다.

IPC_CREAT

key 를 이용 새로운 공유메모리 공간을 만든다.

IPC_CREAT

IPC_CREAT와 같이 사용되며, 공유메모리 공간이 이미 존재할경우 error 를 되돌려준다.

shmat

일단 공유메모리 공간을 생성했으면, 우리는 공유메모리에 접근할수 있는 int 형의 "식별자" 를 얻게 된다. 우리는 이 식별자를 shmat 를 이용해서 지금의 프로세스가 공유메모리를 사용가능하도록 "덧붙임" 작업을 해주어야 한다.

첫번째 아규먼트는 shmget을 이용해서 얻어낸 식별자 번호이며, 2번째 아규먼트는 메모리가 붙을 주소를 명시하기 위해 사용하는데, 0을 사용할경우 커널이 메모리가 붙을 주소를 명시하게 된다. 특별한 사항이 없다면 0을 사용하도록 한다.

3번째 아규먼트를 이용해서, 우리는 해당 공유메모리에 대한 "읽기전용", "읽기/쓰기가능" 모드로 열수 있는데, SHM_RDONLY를 지정할경우 읽기 전용으로, 아무값도 지정하지 않을경우 "읽기/쓰기 가능" 모드로 열리게 된다.

shmdt

프로세스가 더이상 공유메모리를 사용할필요가 없을경우 프로세스와 공유메모리를 분리 하기 위해서 사용한다. 이 함수를 호출할 경우 단지 현재 프로세스와 공유메모리를 분리시킬뿐이지, 공유메모리 내용을 삭제하지는 않는다는 점을 기억해야 한다.
공유메모리를 커널상에서 삭제 시키길 원한다면 shmctl 같은 함수를 이용해야 한다.

shmdt 가 성공적으로 수행되면 커널은 shmid_ds 의 내용을 갱신한다. 즉 shm_dtime, shm_lpid, shm_nattch 등의 내용을 갱신하는데, shm_dtime 는 가장 최근에 dettach (즉 shmdt 를 사용한)된 시간, shm_lpid 는 호출한 프로세세의 PID, shm_nattch 는 현재 공유메모리를 사용하는 (shmat 를 이용해서 공유메모리에 붙어있는) 프로세스의 수를 돌려준다.

shmdt 를 사용하게 되면 shm_nattch 는 1 감소하게 될것이며, shm_nattch 가 0 즉 더이상 붙어있는 프로세스가 없다라는 뜻이 될것이다. shm_nattch 가 0이 되어있을때 만약 이 공유메모리가 shm_ctl 등에 의해 삭제표시 가 되어 있다면, 이 공유메모리는 삭제되게 된다.

shmctl

IPC_STAT

공유메모리 공간에 관한 정보를 가져오기 위해서 사용된다. 정보는 buf 에 저장된다.

IPC_SET

공유메모리 공간에 대한 사용자권한 변경을 위해서 사용된다. 사용자 권한 변경을 위해서는 슈퍼유저 혹은 사용자권한을 가지고 있어야 한다.

IPC_RMID

공유메모리 공간을 삭제하기 위해서 사용된다. 이 명령을 사용한다고 해서 곧바로 사용되는건 아니며, 더이상 공유메모리 공간을 사용하는 프로세스가 없을때, 즉 shm_nattch 가 0일때 까지 기다렸다가 삭제된다. 즉 해당 공유메모리 공간에 대해서 삭제표시를 하는거라고 생각하면 된다.

다음은 실제로 공유메모리를 사용하는 방법에 대한 가장간단한 예제이다. 자식과 부모프로세스간에 어떻게 메모리가 공유되는지 보여준다.

예제 : shm.c

예제가 하는 일은 간단하다. int 형의 공유메모리 공간을 할당한 다음. 자식프로세스에서 여기에 1씩을 더하고 부모프로세스에서는 공유메모리 내용을 출력하는 일을 한다.

쉘 코멘드로 공유메모리 제어하기

쉘에서 공유메모리의 상황을 보여주기 위해서"ipcs"란 도구를 제공한다. ipcs 를 사용하면 공유메모리 뿐만 아닌, Semaphore, Message Queue 등 소위 sytem V IPC 설비에 대한 내용을 보여준다.

그리고 ipcrm 도구를 이용해서 필요없는 공유메모리, Message Queue, Semaphore 등을 지워줄수 있다. 위의 예제코드를 컴파일 시켜서 실행시킨다음 ipcs 를 이용해서 확인을 해보면 공유메모리 자원이 어떤식으로 관리되는지 좀더 이해를 쉽게 할수 있을것이다.

SYNOPSIS
       which [-a] filename ...

DESCRIPTION
       which returns the pathnames of the files which would be executed in the
       current environment, had its arguments been  given  as  commands  in  a
       strictly  POSIX-conformant  shell.   It does this by searching the PATH
       for executable files matching the names of the arguments.

OPTIONS
       -a     print all matching pathnames of each argument

EXIT STATUS
       0      if all specified commands are found and executable

       1      if one or more specified commands is  nonexistent  or  not  exe-
              cutable

       2      if an invalid option is specified

  둘 째로 배열 크기가 아무리 커지더라도 검색 속도가 일정하다. 배열의 첨자 연산은 포인터를 통해 시작 번지에 첨자*요소크기를 더하는 간단한 동작이므로 임의의 한 요소를 참조하는 시간이 상수이다. int ar[10]에서 ar[9]를 참조하는 시간과 int ar[1000]에서 ar[999]를 참조하는 시간이 똑같다는 얘기이다. 이처럼 배열은 메모리 요구량이나 속도면에서 모두 만족할만한 성능을 보이는데 요약하자면 작고 빠른 자료구조이다. 게다가 쓰기도 쉬워 다양한 용도에 아주 요긴하게 사용된다.

  그러나 이런 편리한 배열에도 한 가지 단점이 있는데 배열 요소가 연속된 메모리 공간에 배치되어 있어야 하므로 중간의 요소를 삭제하거나 새로운 요소를 삽입할 수 없다는 점이다. 배열은 일반적으로 삽입, 삭제가 안되는 것으로 알려져 있는데 이는 일종의 고정 관념이다. 방법을 찾아 보면 조금 불편하기는 하지만 전혀 불가능한 것은 아니다. 다음 예제는 문자형 배열을 대상으로 삽입, 삭제하는 방법을 보여준다.

#include <stdio.h>
#include <string.h>

char ar[16]="abcdef";

void Insert(int idx, char ch)
{
     memmove(ar+idx+1,ar+idx,strlen(ar)-idx+1);
     ar[idx]=ch;
}

void Delete(int idx)
{
     memmove(ar+idx,ar+idx+1,strlen(ar)-idx);
}

void Append(char ch)
{
     Insert(strlen(ar),ch);
}

void main()
{
     printf("최초 : %s\n",ar);
     Insert(3,'t');printf("t삽입 : %s\n",ar);
     Delete(1);printf("b삭제 : %s\n",ar);
     Append('s');printf("s추가 : %s\n",ar);
}

문자형 배열 ar에 "abcdef"라는 일련의 문자들(문자열)을 저장해 놓고 문자 중간에 다른 문자를 삽입하거나 삭제한다. 실행 결과를 보면 문자 중간에 다른 문자가 끼어들기도 하고 사라지기도 한다.

최초 : abcdef

t삽입 : abctdef

b삭제 : actdef

s추가 : actdefs

Insert 함수는 배열의 idx번째 요소에 ch문자를 삽입하는데 12장에서 연구해 본 바 있는 메모리 이동 함수인 memmove를 사용한다. 이 함수로 삽입될 위치 이후의 문자들을 한칸씩 뒤로 이동시켜 새 요소가 삽입될 공간을 만든다. 이동을 시작할 위치는 배열 선두 ar에서부터 idx 뒤쪽인 ar+idx이고 이 번지 이후부터 한칸씩 뒤로 밀어야 하므로 ar+idx+1 번지가 이동 목적지이다.

이동할 길이는 이동 시작 번지 뒤쪽의 남은 요소 개수인데 이 개수는 전체 길이인strlen(ar)에서 이동 시작 요소의 번호인 idx를 빼서 구하되 널 종료 문자도 포함시켜야 하므로 1을 더해 주었다. memmove 함수는 바이트 단위의 이동 길이를 요구하므로 이동할 요소 개수에 요소 타입의 크기인 sizeof(char)를 곱해야 하나 이 경우는 요소 크기가 1이므로 생략할 수 있다. Insert(3,'t') 호출의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

  ar+3번지 이후의 내용을 ar+4번지로 이동하며 총 이동 길이는 ar+3 뒤쪽에 있는 3문자에 널 종료 문자를 더해 4바이트만큼이다. ar+3은 ar+4로, ar+4는 ar+5로 배열 끝까지 한 칸씩 오른쪽으로 이동하는 셈이다. memmove 호출의 결과로 d가 있던 자리가 비워지는데 이 자리에 삽입하고자 하는 문자를 대입하면 된다. 배열의 첨자 연산이 단순한 곱셈과 덧셈만으로 가능하기 위해서는 배열을 구성하는 요소들이 물리적으로 연속적인 메모리 공간에 저장되어 있어야 한다는 전제 조건이 만족되어야 한다.

memmove는 삽입될 위치 이후를 뒤로 복사함으로써 삽입 후에도 배열이 이 조건을 만족하도록 한다. 또한 memmove 함수는 이동 시작 번지와 이동 목적지의 번지가 겹쳐 있을 때(overlap) 이동 방향을 조정하여 복사되기 전의 원본이 깨지지 않도록 한다. 위 예에서 ar+3을 ar+4로 복사해 버리면 다음 이동 대상인 ar+4가 파괴되어 버리므로 ar+5부터는 계속 ar+3의 값을 가지게 될 것이다. 이런 경우 똑똑한 memmove는 뒤쪽에서부터 복사를 함으로써 복사전의 원본이 파괴되지 않도록 한다. 함수 내부에서 알아서 정확한 복사를 하도록 되어 있으므로 개발자들은 어디서부터 어디까지 얼마만큼 복사하라는 최소한의 의사 표시만 하면 된다.

Delete 함수는 idx번째 요소를 삭제하는데 Insert 함수보다 훨씬 더 쉽다. 삭제할 요소의 뒤에 있는 모든 요소를 한칸씩 앞쪽으로 이동시키기만 하면 된다. 이동할 길이는 삭제 대상 요소 이후의 남은 요소 개수에 널 종료 문자분을 더한 길이만큼이다. 남은 요소 개수는 총 길이인 strlen(ar)에서 삭제 대상 요소 다음 번호인 idx+1을 빼고 여기에 널 종료 문자분인 1을 더하면 된다. strlen(ar)-(idx+1)+1로 계산되는데 -1+1은 상쇄되어 사라진다.

  b가 있던 자리에 c가 오고 c가 있던 자리에 t가 오는 식으로 모든 요소가 한칸씩 앞쪽으로 이동하며 b는 바로 뒤쪽 요소인 c로 덮여져 사라진다. 배열 끝에 새 요소를 추가하는 Append동작은 배열 끝에 삽입하는 것과 같으므로 Insert를 대신 호출하되 삽입할 위치를 NULL 문자가 있는 위치인 strlen(ar)로 지정하면 된다.

  이 예제로 실험해 봤다시피 배열도 요소를 앞뒤로 이동시키면 삽입과 삭제가 가능하기는 하다. 메모리를 직접 이동시켜야 하므로 삽입 속도가 다소 느린 편인데 배열이 길수록, 삽입 위치가 앞쪽일수록 이동 시간은 더 오래 걸릴 것이다. 하지만 삽입, 삭제는 읽기나 추가 동작보다 빈도가 낮고 memmove는 굉장히 고속으로 동작(초당 20억 바이트 정도)하기 때문에 우려하는만큼 느리지 않다. memmove의 내부 코드는 루프를 돌리는 C코드가 아니며 CPU가 하드웨어적으로 직접 처리하는 마이크로 코드이므로 상상을 불허할 정도로 빠르다.