입출력과 소켓

입출력 전반

입력과 출력은 정보 전달을 위한 핵심 과정이다. 프로세스 간의 정보 전달을 궁극적인 목적으로 하는 소켓 프로그래밍에서도 입출력은 핵심 절차이다.
입출력 시스템의 동작 원리에 대해서 이해한다면 제작하는 프로그램의 완성도를 높일 수 있을 것이다.

파일 디스크립터, 파일 테이블, 파일

파일 디스크립터는 프로세스가 파일에 접근할 때, 파일을 식별하기 위한 이름표이다. 소켓 또한 생성되면 파일 디스크립터 (소켓 디스크립터)가 부여된다.
운영체제는 프로세스가 접근할 수 있는 자원인 파일을 다루기 위해서 프로세스별로 파일 디스크립터 테이블을 관리한다.
예를 들어서 프로세스 A가 open() 함수를 이용하여 파일을 열었다면 프로세스 A의 파일 디스크립터 테이블에 파일에 접근하기 위한 정보가 기록된다.
또한 운영체제는 시스템 전체에 열려 있는 모든 파일 정보(장치 및 소켓 포함)가 저장된다.
디스크립터 테이블에는 다음과 같은 두 가지 정보가 저장된다.
- 파일 디스크립터의 속성 정보를 저장하고 있는 flags
- 운영체제가 관리하는 파일 레코드를 가리키는 포인터
파일 테이블에는 다음과 같은 세 가지 정보가 저장된다.
- file offset: 열려 있는 파일 중 현재 읽기 또는 쓰기가 실행될 위치를 저장
- status flag: open 시스템 콜에서 지정하는 파일의 정보들을 저장
- 실제 파일 위치를 가리키는 포인터

파일 디스크립터 테이블과 열린 파일 테이블의 엔트리(Entry)

open() 함수 또는 socket() 함수를 이용하면 프로세스 단위로 파일 디스크립터를 관리하기 위해서 사용되는 파일 디스크립터 테이블에 하나의 엔트리가 생성된다.
이 엔트리에는 열린 파일 테이블의 엔트리를 참조하기 위한 포인터가 포함되어 있다. 또한, 앞의 함수들은 시스템 전체의 열린 파일을 관리하기 위해 사용되는 열린 파일 테이블의 엔트리도 생성하는 역할을 한다.

해당 엔트리는 실제 파일이나 소켓이 가리키는 포인터를 가지고 있다. 같은 파일을 서로 다른 두 프로세스가 열 경우에 열린 파일 테이블의 엔트리는 두개가 되지만, 두 엔트리에서 가리키는 실제 저장소는 하나가 된다.

프로세스가 fork() 함수에 의해서 복제되면 같은 파일 테이블 엔트리를 가리키는 파일 디스크립터 테이블 엔트리가 생성된다.

dup() 계열 함수를 호출하면 파일 디스크립터를 복사할 수 있다. dup 함수에 의해서 생성된 파일 디스크립터는 원본 파일 디스크립터와 동일한 열린 파일 테이블 엔트리를 참조한다.

int dup(int oldfd);
결과값 : 복사된 파일 디스크립터(새로 부여된 디스크립터)

같은 프로세스 내에서 파일 디스크립터를 복제하는 함수이다.

int dup2(int oldfd, int newfd);

결과값 : 복사된 파일 디스크립터 (새로 부여된 디스크립터)

파일 오프셋이란?

파일 오프셋은 읽기/쓰기의 기준이 되는 포인터 값이다.
오프셋은 읽기/쓰기의 기준이 파일의 시작지점으로부터 몇 바이트 떨어져있는지를 나타낸다. 예를 들어서, read() 함수를 호출하여 5바이트를 읽는다면 오프셋 값을 기준으로 파일에서 5바이트의 데이터가 읽혀진다. 또한 이 경우에 오프셋 값은 5만큼 증가한다.
물론 소켓에서는 오프셋 값은 의미가 없지만, 파일 입출력을 다룰 때는 오프셋 값에 주의해야한다.
여기서 주목할만한 포인트는 오프셋 값은 파일 디스크립터 테이블이 아니라, 열린 파일 테이블에 있다는 점이다.
따라서 dup()로 복제한 파일 디스크립터는 오프셋 값을 원본 디스크립터와 공유한다. 반면에 개별적인 open() 함수를 통해서 열린 파일 테이블에 독립적인 엔트리를 생성한 두 파일디스크립터들은 오프셋을 공유하지 않는다.

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

인자

fd: 오프셋 값을 조회하거나 변경하고자하는 파일을 가리키는 디스크립터
offset: 변경할 오프셋의 크기
whence: 오프셋 변경의 기준이 되는 지점 (세 가지 매크로를 제공한다.)

결과값

변경된 매크로 값 반환, 실패시 -1
whence 값으로 사용가능한 매크로
SEEK_SET: 파일의 시작 지점
SEEK_CUR: 현재 오프셋 값
SEEK_END: 파일의 마지막 지점 + 1

예제

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
  int fd1, fd2, fd3;
  char buff[BUFSIZ];
  int read_len, n_write;
  if (argc != 2) {
    printf("usage: %s filename \n", argv[0]);
    return -1;
  }

  fd1 = open(argv[1], O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC);
  fd2 = open(argv[1], O_RDONLY);
  fd3 = dup(fd1);

  fgets(buff, BUFSIZ - 1, stdin);

  read_len = strlen(buff);
  n_write = write(fd1, "abc", 3);
  n_write += write(fd1, buff, read_len + 1);
  if (n_write == -1) printf("error");

  printf("offset (fd1): %d\n", (int) lseek(fd1, 0, SEEK_CUR));
  printf("offset (fd2): %d\n", (int) lseek(fd2, 0, SEEK_CUR));
  printf("offset (fd3): %d\n", (int) lseek(fd3, 0, SEEK_CUR));

  read(fd2, buff, 4);
  write(1, buff, 4);

  printf("-----\n");

  printf("offset (fd1): %d\n", (int) lseek(fd1, 0, SEEK_CUR));
  printf("offset (fd2): %d\n", (int) lseek(fd2, 0, SEEK_CUR));
  printf("offset (fd3): %d\n", (int) lseek(fd3, 0, SEEK_CUR));

  close(fd1);
  fgets(buff, BUFSIZ - 1, stdin);
  read_len = strlen(buff);
  n_write += write(fd3, buff, read_len);

  lseek(fd2, 0, SEEK_SET);
  memset(buff, 0, BUFSIZ);
  read_len = read(fd2, buff, n_write);
  write(1, buff, n_write);
  close(fd2);
  close(fd3);
  return 0;
}

파일 디스크립터 fd1, fd2, fd3를 생성하는데, fd1, fd2는 각각 open() 함수로 열고 fd3는 fd1을 dup() 함수를 통해서 복제한 것이다.
프로그램을 실행하면서 인자로 test.txt 를 넘겼다. 따라서 실행 파일과 같은 폴더에 test.txt 파일이 생성된다.
그 다음으로는 사용자에게 문자열을 입력 받는 부분인데, 여기서는 this i a test file 이라는 문자열이 입력된다.
문자열 입력 후 파일 디스크립터 fd1을 이용하여 파일에 쓰기 작업을 수행한다. 이때 사용자에게 입력 받은 문자열에 앞서 “abc” 라는 문자열을 저장한다. 따라서 문자열 24개와 엔터를 포함한 25개가 오프셋 값으로 저장된다.
fd2는 fd1과 같은 파일을 가리키고 있지만 서로 다른 열린 파일 테이블을 가리키고 있으므로 오프셋의 값이 0이라는 것을 확인할 수 있다.
그 후에 fd2를 이용하여 파일의 4글자 값을 읽었을 때 오프셋 값이 증가한 것을 확인할 수 있다.

소켓 전용 입출력 함수

지금까지 TCP 소켓에서는 읽기 쓰기는 저수준 입출력 함수인 read 함수와 write 함수를 이용했다.
read(), write() 함수는 리눅스의 추상화된 파일 (파일, 소켓, 디바이스 장치)에서 공통적으로 사용할 수 있는 저수준 입출력 함수이다.
이러한 함수와는 별개로 소켓 전용 입출력 함수에 대해서 알아보도록 하자.

ssize_t send(int socket, const void *buffer, size_t length, int flags);

인자

socket: 데이터 전달을 위해서 사용하고자 하는 소켓 디스크립터
buffer: 전달하려고 하는 데이터를 저장하고 있는 공간의 주소
length: 전달하려고 하는 데이터의 길이
flag: 데이터 전송 시 사용할 수 있는 옵션들
send() 함수는 write() 함수보다 하나의 인자를 더 가지고 있다.
소켓 입출력에서 필요한 옵션들을 지정하는데 사용할 수 있는 flags 라는 인자이다.
flags는 파일을 open 할 때 사용하는 flags 처럼 여러 설정 값의 비트 연산으로 구성된다.
flags 인자에 대해서는 읽기 기능을 수행하는 소켓 전용 함수인 recv를 다룬 후에 자세히 알아보자.

ssize_t recv(int socket, void *buffer, size_t length, int flags);

인자

socket: 데이터 읽기 작업을 위해 사용하고자하는 소켓 디스크립터
buffer: 읽어온 데이터를 저장하려고 하는 공간의 주소
length: 읽으려고 하는 데이터의 최대 길이
flag: 데이터 읽기 작업을 위해 사용할 수 있는 옵션들

flags

두 함수에서 공통으로 사용하는 flags 인자에 대해서 알아보자.
MSG_OOB: Out of Band 데이터 전송을 위한 옵션이다. TCP의 Urgent 기능에 관한 것으로 MSG_OOB가 설정되면 Urgent 데이터로 취급하게 된다.
MSG_DONTWAIT: 입출력 함수의 동작이 블록 되지 않게 된다. 즉 논 블록으로 동작하게 설정한다.
다음은 send() 함수에서 사용할 수 있는 flags이다.
MSG_DONTROUTE: 메시지가 라이터를 통해 다른 네트워크로 전달되는 것을 막는다.
MSG_PEEK: 수신 버퍼에 데이터가 들어있는지를 알아보기 위해서 사용한다. MSG_PEEK 옵션이 활성화 되어 있는 상태에서 recv 함수로 읽어진 데이터는 수신 버퍼에서 지워지지 않는다.

Urgent 데이터

TCP 기능중에서는 전송하는 데이터 중에 긴급한 메시지가 있음을 알리는 기능이 있다.

“전송하는 데이터 중에서 긴급한 메시지가 있으니, 이 부분을 확인하시오.”

이러한 긴급한 데이터의 전송은 주목적이 아니라 특수한 목적이기 때문에 In Band의 반대말인 Out of Band(OOB) 전송으로 불린다.
예제를 통해서 알아보자.

예제

Urgent 데이터 전송을 위한 서버 / 클라이언트 프로그램
클라이언트 프로그램은 서버 프로그램으로 다음과 같은 데이터 순서대로 전송한다.
- Normal_MSG1
- Normal_MSG2
- Urgent_MSG
- Normal MSG4
3번째 데이터는 Urgent Flag를 셋팅하여 전송한다.
서버 프로그램은 클라이언트 프로그램이 전송하는 데이터를 화면에 출력한다.

클라이언트 프로그램

#include <stdio.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
  int connect_sd;
  struct sockaddr_in client_addr;
  int client_addr_len, read_len;
  char write_buffer[BUFSIZ];

  if (argc != 3) {
    printf("usage: %s <IP Address> <Port Number>\n", argv[0]);
    return -1;
  }

  connect_sd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

  printf("=== client program ===\n");

  memset(&client_addr, 0, sizeof(client_addr));
  client_addr.sin_family = AF_INET;
  client_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
  client_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

  connect(connect_sd, (struct sockaddr *) &client_addr, sizeof(client_addr));

  send(connect_sd, "normal_msg1", strlen("normal_msg1"), 0);
  send(connect_sd, "normal_msg2", strlen("normal_msg2"), 0);
  send(connect_sd, "urgent_msg", strlen("urgent msg"), MSG_OOB);
  send(connect_sd, "normal_msg3", strlen("normal_msg3"), 0);
  close(connect_sd);

  return 0;
}

서버 프로그램

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <fcntl.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

int listen_sd, connect_sd;

void urgent_handler(int sig);

int main(int argc, char *argv[]) {
  struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
  int client_addr_len, read_len, str_len, state;
  char read_buffer[BUFSIZ];
  pid_t pid;
  struct sigaction act;

  if (argc != 2) {
    printf("usage: %s [port number]\n", argv[0]);
    return -1;
  }

  act.sa_handler = urgent_handler;
  sigemptyset(&act.sa_mask);
  act.sa_flags = 0;

  printf("server start...\n");
  listen_sd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

  memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
  server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
  server_addr.sin_family = AF_INET;
  server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

  bind(listen_sd, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr));
  listen(listen_sd, 5);

  client_addr_len = sizeof(client_addr);
  connect_sd = accept(listen_sd, (struct sockaddr *) &client_addr, &client_addr_len);
  fprintf(stderr, "a client is connected...\n");

  fcntl(connect_sd, F_SETOWN, getpid());
  state = sigaction(SIGURG, &act, 0);

  while (1) {
    read_len = recv(connect_sd, read_buffer, sizeof(read_buffer), 0);
    read_buffer[read_len] = '\0';
    printf("client: %s\n", read_buffer);
    if (read_len == 0) {
      close(connect_sd);
      break;
    }
  }
  fprintf(stderr, "the client is disconnected.\n");
  close(listen_sd);
  return 0;
}

void urgent_handler(int sig) {
  int read_len;
  char read_buffer[BUFSIZ];

  read_len = recv(connect_sd, read_buffer, sizeof(read_buffer), MSG_OOB);
  read_buffer[read_len] = '\0';
  printf("client(urgent): %s\n", read_buffer);
}

OOB 전송에 대해서 정리하자면 긴급 데이터 처리를 위해서 OOB 전송을 하더라도 데이터가 빨리 전송되는 것은 아니며 데이터 중에 한 바이트만 긴급 데이터로 취급된다는 것을 알 수 있다.
“이 세그먼트에 긴급한 데이터가 있다.” 정도의 정보만 수신자 측에 전달할 수 있는 것이다.

표준 입출력 함수

시스템 콜은 사용자 모드와 커널 모드를 전환하기 때문에 자원을 많이 소모한다. 사용자 A와 사용자 B가 각각 100 바이트의 데이터를 WRITE 함수를 사용하여 파일을 작성한다고 생각을 해보자.

사용자 A는 100 바이트를 작성하는 write() 함수를 한 번 호출하여 100 바이트를 작성한다.

사용자 B는 10 바이트를 작성하는 write() 함수를 10번 호출하여 100 바이트를 작성한다.

파일을 입력할 때마다 write() 함수를 호출하는 대신에 누군가가 입력할 데이터를 모아서 데이터가 충분히 많아졌을 때 write() 함수를 호출하면 시스템 콜을 호출하는 횟수를 줄일 수 있을 것이다.
표준 입출력 함수는 자체적으로 버퍼를 가지고 있기 때문에 시스템 콜 실행 횟수를 줄이는 기능을 할 수 있다.

스트림

표준 입출력 함수들은 시스템 콜의 실행 횟수를 줄이는 기능 이외에 문자열 처리를 쉽게 해준다는 장점이 있다.
소켓 프로그래밍을 할 때도 표준 입출력 함수들을 활용하면 복잡한 문자열 작업을 편하게 할 수 있는 경우가 많다.
스트림은 표준 입출력에서의 파일 시스템을 추상화한 개념이다. fopen(), fclose() 같은 표준 입출력 함수는 파일에 접근하기 위해서 FILE 구조체의 포인터를 사용한다.
초기 제작 의도와는 다르게 스트림을 FILE 구조체의 포인터 자체로 간주하는 사람들도 많다.
표준 입출력 함수를 이용하는 프로그램들은 아래 소스와 같은 흐름을 따른다.

FILE *fp;

fp = fopen("filename.txt", "r");
...
fprintffp, "....");
....
fclose(fp);

위에서 처럼 fscanf(), fprintf(), fgets(), fputs() 등등의 표준 입출력 함수를 사용하려면, 파일을 가리키는 FILE형 포인터 즉, 스트림을 생성해야한다.

FILE *fdopen(int fd, const char *mode);

파일 디스크립터로부터 스트림을 생성하는 방법은 fdopen() 함수를 이용하는 것이다.

int fileno(FILE *stream)

반대로 스트림에서 파일 디스크립터를 추출하는 것도 가능하다. 이때는 fileno 함수를 이용한다.

표준 입출력 버퍼 관리

파일 스트림에 fprintf()나 fputs() 같은 함수를 이용하여 쓰기 작업을 하면 write() 관련 시스템 콜이 실행되어 파일 쓰기 작업이 수행된다.
그러나 표준 입출력 함수의 사용이 시스템 콜로 바로 이어지는 것은 아니다. 표준 결과물은 표준 입출력 버퍼에 저장되어 있다가 상황에 맞게 한 번의 시스템 콜로 처리된다.
이러한 버퍼링은 시스템 콜의 횟수를 줄일 수 있다는 장점을 제공하는 동시에 버퍼링되어 있는 시간만큼 해당 작업이 지연된다는 단점을 가져올 수 있다.
따라서 경우에 따라 버퍼에 있는 내용을 강제로 배출하는 기능이 필요한다. 이러한 기능은 fflush() 함수가 수행한다.

int fflush(FILE *stream);

또한 표준 입출력에서 사용되는 버퍼의 크기를 설정하는 것이 가능하다.

void setbuff(FILE *stream, char *buf);

예제 - 표준 입출력 함수를 이용한 소켓 프로그래밍

클라이언트

nclude <stdio.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
  int connect_sd;
  struct sockaddr_in client_addr;
  int client_addr_len, read_len;
  char write_buffer[BUFSIZ];
  FILE *wfp;

  if (argc != 3) {
    printf("usage: %s <IP Address> <Port Number>\n", argv[0]);
    return -1;
  }

  connect_sd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  printf("=== client program ===\n");

  memset(&client_addr, 0, sizeof(client_addr));
  client_addr.sin_family = AF_INET;
  client_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
  client_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

  connect(connect_sd, (struct sockaddr *)&client_addr, sizeof(client_addr));
  wfp = fdopen(connect_sd, "w");
  while (1) {
    printf("send msg: ");
    fgets(write_buffer, BUFSIZ, stdin);
    fputs(write_buffer, wfp);
    fflush(wfp);
    if (!strcmp(write_buffer, "END\n")) break;
  }
  fclose(wfp);
  return 0;
}

서버

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
  int listen_sd, connect_sd;
  struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
  int client_addr_len, read_len, str_len, state;

  char read_buffer[BUFSIZ];
  FILE *rfp;

  if (argc != 2) {
    printf("usage %s [port number]\n", argv[0]);
    return -1;
  }

  printf("server start...\n");
  listen_sd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

  memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));

  server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
  server_addr.sin_family = AF_INET;
  server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

  bind(listen_sd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
  listen(listen_sd, 5);

  client_addr_len = sizeof(client_addr);

  connect_sd = accept(listen_sd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_len);
  fprintf(stderr, "a client is connected...\n");

  rfp = fdopen(connect_sd, "r");

  while (!feof(rfp)) {
    fgets(read_buffer, BUFSIZ, rfp);
    printf("%s", read_buffer);
  }
  fprintf(stderr, "the client is disconnected. \n");
  fclose(rfp);
  return 0;
}

참고 문헌

네트워크 프로그래밍

>> Home

이동욱

2021/08/17

입출력 전반

파일 디스크립터, 파일 테이블, 파일

파일 디스크립터 테이블과 열린 파일 테이블의 엔트리(Entry)

파일 오프셋이란?

예제

소켓 전용 입출력 함수

flags

Urgent 데이터

예제

표준 입출력 함수

스트림

표준 입출력 버퍼 관리

예제 - 표준 입출력 함수를 이용한 소켓 프로그래밍

참고 문헌