[Network] Blocking I/O 와 Non-Blocking I/O 에 대해서 알아보자

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https://github.com/JulSaMo/CS-start

GitHub - JulSaMo/CS-start: 📝 CS 지식 대백과 ✨

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🟠 I/O 작업

주로 파일의 입출력을 다룰 때 흔히 볼 수 있다. 네트워크에서도 흔히 볼 수 있는데, 예를들어 소켓의 read와 send를 생각하면 될 것이다.

더 쉽게 예를 들자면, 두 대 이상의 컴퓨터끼리 서로 네트워크를 통해 통신을 한다고 가정할 때,
한 컴퓨터에서 출력(send)하고, 다른 한 컴퓨터에서 입력(read)을 받는 과정을 통해 통신할 수 있다.

I/O 작업은 User레벨에서 직접 수행할 수 없고, 실제 IO 작업을 수행하는 위치는 Kernel(커널, 즉 운영체제)에서만 가능하다. 유저 프로세스 (or 스레드)는 커널에게 요청을 하고 작업 완료 후 커널에 반환하는 결과를 기다릴 뿐이다.

아래 널널한 개발자 TV 선생님의 영상을 보면, user 에서 kernel로 file open 요청을 보내고, 그게 kernel에서 처리될 때 block과 non-blocking이 어떤 자세를 취하는지 자세하게 설명해준다. 

https://www.youtube.com/watch?v=XNGfl3sfErc 

 

📝 잠깐, 공부하기전에 알고 넘어갈 개념

🔸 소켓 (Socket)

네트워크 상에서 동작하는 프로그램 간 통신의 종착점이다. (Endpoint) 간단히 말해서는 특정 문자들을 조합하여 만든 네트워크 주소이다.

소캣은 프로세스가 네트워크 세계로 데이터를 내보내거나 혹은 네트워크 세계로부터 데이터를 받기위한 실제적인 창구 역할을 한다. 그러므로 프로세스가 데이터를 보내거나 받기 위해서는 반드시 소켓을 열어서 소켓에 데이터를 써보내거나, 소켓으로부터 데이터를 읽어들여야한다.

👉 소켓은 프로토콜, IP주소, 포트넘버로 정의된다. 
- 프로토콜: 통신을 원할하게 수용하도록 해주는 통신 규약
- IP : 전 세계 컴퓨터에 부여된 고유의 식별 주소
- 포트: "논리적인 접속장소"이다. 특히 인터넷 프로토콜인 TCP/IP를 사용할 때에는 클라이언트 프로그램이 네트워크 상의 특정 서버 프로그램을 지정하는 방법으로 사용된다. 네트워크 상에서 통신을 할 때 IP를 토대로 해당 서버가 있는 컴퓨터에 접근한다. 그런데 하나의 컴퓨터에서는 여러 개의 서버가 실행될 수 있다. 컴퓨터에 여러 개의 서버가 실행되고 있다면 어느 서버에 접속해야하는지 알려주어야한다. 이때 사용되는 것이 "포트넘버" 이다. (더 자세한 참고: https://study-recording.tistory.com/13)

👉 소켓 통신의 흐름 (간단하게 이렇게 동작한다, 까지만 알고 넘어가보자.)

🔸 recvfrom()

C언어에서 UDP/IP 통신에서 소켓으로부터의 데이터를 수신하는 함수이다. (여기까지만 딱 알고있자!)

 

🔸 EWOULDBLOCK

 

 

🟠 Blocking I/O (블로킹)

가장 기본적인 I/O 모델로, Linux에서의 모든 소켓 통신은 기본 Blocking 으로 동작한다.
I/O 작업이 진행되는 동안 유저 프로세스는 자신의 작업을 중단한 채 대기하는 방식이다.

https://velog.io/@octo__/BlockingNon-Blocking-IO-IO-%EC%9D%B4%EB%B2%A4%ED%8A%B8-%ED%86%B5%EC%A7%80-%EB%AA%A8%EB%8D%B8

1. 유저는 커널에게 read 작업을 요청하고 (제어권을 넘겨준다)
2. 데이터가 입력될 때 까지 대기하다가 (제어권을 넘겨주었기 때문에 대기한다. 자기 작업을 제어할 수 없다.)
3. 데이터가 입력되면 유저에게 결과가 전달되어야만 유저 자신의 작업에 비로소 복귀할 수 있다. (제어권을 넘겨받는다)

말그대로 block이 되고, 어플리케이션에서 다른 작업을 수행하지 못하고 대기하게 되므로, 자원이 낭비된다.

 

🟠 Non-Blocking I/O (블로킹)

위와 같은 blocking방식의 비효율성을 극복하고자 도입된 방식이다.
I/O작업이 진행되는 동안 유저 프로세스의 작업을 중단시키지 않는 방식이다.

https://velog.io/@octo__/BlockingNon-Blocking-IO-IO-%EC%9D%B4%EB%B2%A4%ED%8A%B8-%ED%86%B5%EC%A7%80-%EB%AA%A8%EB%8D%B8

1. 유저가 커널에게 read작업을 요청하면
2. 데이터가 입력이 됐든 안됐든 요청하는 그 순간, 바로 결과가 반환된다.
    이때 입력 데이터가 없으면 입력 데이터가 없다는 결과 메세지 (EWOULDBLOCK)을 반환한다.
3. 입력 데이터가 있을 때 까지 1,2번을 반복한다. → 2번에서 결과 메세지를 받은 유저는 다른 작업진행이 가능하다.
    (제어권을 넘겨주지 않았기 때문에, 계속해서 본인의 작업을 이어갈 수 있다.)
4. 입력데이터가 있으면 유저에게 결과가 전달된다. 

이 경우 I/O의 진행시간과 관계가 없기 때문에 (대기하지 않아서) application에서 작업을 오랜 시간 중지하지 않고 I/O작업을 진행할 수 있다. 그러나 반복적으로 시스템 호출이 발생하기 때문에 이 경우 역시 자원이 낭비된다. 

 

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🟠 I/O 이벤트 통지 모델 

번외로 Non-blocking 의 제기된 문제를 해결하기 위해서 제안된 모델들이다.  I/O이벤트 통지 방식에는 Async/Sync 모델로 분류가 가능하다.

즉, Blocking / Non-Blockiing / Async / Sync 를 크로스오버한 4가지의 종류가 있다.

해당 모델들에 대한 설명은 아래 글에서 더 자세하게 공부가 가능하다!

https://didu-story.tistory.com/306

[Network] (Swift) Blocking과 Non-Blocking , Sync와 Asyn의 차이는?

 

 

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📖 Reference

https://ju3un.github.io/network-basic-1/

https://helloworld-88.tistory.com/215

https://velog.io/@octo__/BlockingNon-Blocking-IO-IO-%EC%9D%B4%EB%B2%A4%ED%8A%B8-%ED%86%B5%EC%A7%80-%EB%AA%A8%EB%8D%B8