IPC Linux Lab

ipc-linux-lab는 Linux IPC(Inter-Process Communication)를 Docker 안에서 직접 빌드하고 실행하며 관찰하기 위한 학습용 실습 프로젝트다. macOS 호스트에서도 Linux 동작을 재현할 수 있도록 Debian 기반 Docker 이미지를 기준 실행 환경으로 삼는다.

이 프로젝트는 Red Hat/OpenSource.com의 A guide to inter-process communication in Linux 주제 흐름을 참고해 구성했다. 원본 PDF 자체는 저작권/개인 파일 경로 이슈가 있으므로 저장소에 포함하지 않는다.

목표

이 lab의 목표는 단순히 IPC 개념을 읽는 것이 아니라, 다음 과정을 직접 확인하는 것이다.

1. C 예제를 컴파일한다.
2. 각 IPC 방식의 stdout 결과를 확인한다.
3. pytest로 동작을 검증한다.
4. Docker Linux 컨테이너에서 macOS와 다른 Linux IPC semantics를 안정적으로 재현한다.
5. strace로 system call 흐름을 추적한다.
6. 재귀적 학습 계획을 생성해 주제별로 확장 학습한다.

다루는 IPC 주제

주제	예제	핵심 관찰 포인트
Shared file	shared_file_writer.c, shared_file_reader.c	여러 프로세스가 파일을 통해 상태를 공유하는 가장 단순한 IPC 패턴
Unnamed pipe	pipe_demo.c	pipe(), fork(), fd 상속, read/write end close discipline
Shared memory + semaphore	shm_sem_demo.c	mmap() 기반 공유 메모리와 semaphore 동기화
System V message queue	msg_queue_demo.c	kernel-managed message queue, message type, msgsnd()/msgrcv()
UNIX domain socket	socket_demo.c	같은 host 안의 socketpair 기반 양방향 통신
Signal	signal_demo.c	SIGUSR1, signal handler, parent/child synchronization

디렉터리 구조

ipc-linux-lab/
├── Dockerfile
├── Makefile
├── README.md
├── .dockerignore
├── .gitignore
├── c/
│   ├── shared_file_writer.c
│   ├── shared_file_reader.c
│   ├── pipe_demo.c
│   ├── shm_sem_demo.c
│   ├── msg_queue_demo.c
│   ├── socket_demo.c
│   └── signal_demo.c
├── src/
│   └── ipc_lab.py
├── tests/
│   └── test_labs.py

빠른 시작

Docker Desktop 또는 Docker Engine이 실행 중이어야 한다.

cd ipc-linux-lab
make docker-build
make docker-test
make docker-demo

예상 테스트 결과:

pytest -q tests
.......                                                                  [100%]
7 passed

예상 demo 결과:

wrote:/tmp/ipc_lab_shared_file.txt:hello via shared file
read:/tmp/ipc_lab_shared_file.txt:hello via shared file

child_received:hello over unnamed pipe
parent_sent:hello over unnamed pipe

child_read_shared_memory:hello via mmap shared memory
parent_wrote_shared_memory

child_received_message_queue:7:hello via System V message queue
parent_sent_message_queue:7

child_socket_received:hello over unix socket
parent_socket_reply:ack from child

child_sent_signal:SIGUSR1
parent_received_signal:SIGUSR1

Docker 명령어

이미지 빌드:

make docker-build

컨테이너 안에서 테스트 실행:

make docker-test

컨테이너 안에서 전체 demo 실행:

make docker-demo

직접 shell에 들어가기:

docker run --rm -it ipc-linux-lab:local bash

Docker Desktop에서 실습용 컨테이너를 유지하고 싶으면:

docker rm -f ipc-linux-lab-shell 2>/dev/null || true
docker create --name ipc-linux-lab-shell -it ipc-linux-lab:local bash
docker start ipc-linux-lab-shell
docker exec -it ipc-linux-lab-shell bash

로컬 Linux에서 실행

Linux 환경이라면 Docker 없이도 실행할 수 있다.

make all
make test
make demo

macOS에서도 일부 예제는 컴파일될 수 있지만, System V/POSIX IPC 동작과 compiler warning이 Linux와 다를 수 있다. 이 프로젝트의 기준 실행 환경은 Docker Debian Linux다.

CLI 사용법

주제 목록 보기:

python3 src/ipc_lab.py topics

특정 lab 실행:

python3 src/ipc_lab.py run pipe
python3 src/ipc_lab.py run shared-file
python3 src/ipc_lab.py run shared-memory
python3 src/ipc_lab.py run message-queue
python3 src/ipc_lab.py run socket
python3 src/ipc_lab.py run signal

재귀적 학습 계획 생성:

python3 src/ipc_lab.py plan all --depth 3
python3 src/ipc_lab.py plan pipe --depth 3 --format json

strace로 system call 관찰

컨테이너 안에서 다음처럼 실행하면 사용자 공간 C 코드가 어떤 system call로 이어지는지 볼 수 있다.

strace -f bin/pipe_demo
strace -f bin/shm_sem_demo
strace -f bin/msg_queue_demo
strace -f bin/socket_demo
strace -f bin/signal_demo

예를 들어 pipe demo에서는 다음 흐름을 관찰할 수 있다.

1. pipe()로 read/write fd 생성
2. fork()로 child process 생성
3. parent는 read end를 닫고 write
4. child는 write end를 닫고 read
5. 양쪽이 필요 없는 fd를 닫아 EOF와 blocking 조건을 제어

테스트 설계

테스트는 단순히 exit code만 확인하지 않고, 각 예제의 관찰 가능한 stdout을 검증한다.

예:

• pipe: parent/child 양쪽 출력 확인
• shared memory: parent write와 child read 확인
• message queue: message type과 payload 확인
• socket: child receive와 parent reply 확인
• signal: child signal send와 parent signal receive 확인

실행:

make test

Docker 기준:

make docker-test

학습 순서 추천

1. shared-file로 가장 단순한 IPC를 이해한다.
2. pipe로 parent/child fd 상속과 단방향 byte stream을 본다.
3. shared-memory로 메모리 공유와 semaphore 동기화를 본다.
4. message-queue로 kernel-managed queue와 message type을 본다.
5. socket으로 양방향 local IPC를 본다.
6. signal로 data channel이 아닌 event notification을 이해한다.
7. 각 예제를 strace -f로 다시 실행해 library call과 system call을 연결한다.

확장 아이디어

다음 주제를 추가하면 더 완성도 높은 Linux IPC lab이 된다.

• named pipe / FIFO
• POSIX message queue
• POSIX shared memory: shm_open()
• eventfd
• signalfd
• epoll 기반 event loop
• netlink socket
• file locking: flock(), fcntl()
• namespace/container boundary에서 IPC visibility 비교

주의사항

• build output인 bin/은 Git에 포함하지 않는다.
• 원본 PDF 파일은 저장소에 포함하지 않는다.
• macOS host compile 결과는 참고용이고, 검증 기준은 Docker Linux다.
• child process에서 _exit()를 쓰면 stdout buffering 때문에 pytest capture가 비어 보일 수 있다. 이 프로젝트의 예제는 교육 목적상 출력 flush가 보장되도록 작성했다.

주요 Make target

make all          # C 예제 컴파일
make test         # pytest 실행
make demo         # 모든 예제 실행
make plan         # 전체 주제 재귀 학습 계획 출력
make clean        # build output 정리
make docker-build # Docker image build
make docker-test  # Docker 안에서 test
make docker-demo  # Docker 안에서 demo

라이선스 / 출처 메모

이 저장소의 코드는 학습용 예제로 작성되었다. 문서 구조와 주제 선정은 공개 Linux IPC guide의 주제 흐름을 참고했지만, 원본 PDF 내용 전문은 포함하지 않는다.