[운영체제] 프로세스 관리

이민선(Jasmine)·2023년 10월 1일

CS 운영체제

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프로세스 생성

부모 프로세스가 자식 프로세스 생성

메모리 복제: code, data, stack 복제
레지스터 상태 복제: program counter를 비롯한 register 복제

프로세스의 트리(계층 구조) 형성
프로세스는 자원을 필요로 함

운영체제로부터 받는다.
부모와 공유한다.
- copy-on-write(COW)라는 테크닉도 있다. (부모의 주소공간을 모두 복사하는 것이 아니라, 일단 같은 페이지들을 공유하고 있다가 부모 자식 중 어느 하나가 write 연산을 해야만 해당 페이지가 복사되게 하는 기법. 모든 페이지를 복사하는 것에 비해 메모리 낭비를 막을 수 있다.)
  
  이미지 출처: https://www.learnsteps.com/what-is-copy-on-write-and-where-is-it-used/

자원의 공유

부모와 자식이 모든 자원을 공유하는 모델
일부를 공유하는 모델
전혀 공유하지 않는 모델 (보통은 부모-자식끼리는 CPU 자원에 대해 경쟁 관계임)

수행(Execution)

부모와 자식이 공존하며 수행되는 모델
자식이 종료(terminate)될 때까지 부모가 기다리는 (wait, 부모 프로세스가 blocked) 모델

주소 공간(Address space)

자식은 부모의 공간을 복사함 (binary(코드, 데이터, 스택) and OS data(PCB 등))
자식은 그 공간에 새로운 프로그램을 올림

유닉스의 예

fork() 시스템 콜이 새로운 프로세스를 생성
- 부모를 그대로 복사 (binary(코드, 데이터, 스택) + OS data except PID)
- 주소 공간 할당
fork 다음에 이어지는 exec() 시스템 콜을 통해 새로운 프로그램을 메모리에 올림

프로세스 종료

자발적 종료

프로세스가 마지막 명령을 수행한 후 운영체제에게 이를 알려줌 (exit 시스템 콜로 종료)

자식이 부모에게 output data를 보냄 (via wait)
프로세스의 각종 자원들이 운영체제에게 반납됨.

비자발적 종료

부모 프로세스가 자식의 수행을 종료시킴 (abort)

자식이 할당 자원의 한계치를 넘어섬
자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요하지 않음
부모가 종료(exit)하는 경우
- 운영체제는 부모 프로세스가 종료하는 경우 자식이 더 이상 수행되도록 두지 않는다.
- 단계적인 종료 (손자 프로세스부터 kill)

프로세스와 관련한 시스템 콜

fork() 시스템 콜

caller의 복사본인 새로운 주소공간을 만든다.
자식 프로세스는 program counter도 복사하기 때문에 시스템 콜을 호출한 이후의 코드부터 실행된다. (main 함수 호출부터 시작되는 것이 아님.)

int main()
{ int pid;
  pid = fork(); // 시스템 콜. pid를 return해줌
  
  if (pid == 0) /* 자식 프로세스. 이 코드부터 실행됨 */
    printf('\n Hello, I am child\n');
  
  else if (pid > 0) /* 부모 프로세스 */
    printf('\n Hello, I am parent\n');
}

exec() 시스템 콜

caller의 메모리 image를 새로운 프로그램으로 대체

int main()
{ int pid;
  pid = fork(); // 시스템 콜. pid를 return해줌
  
  if (pid == 0) /* 자식 프로세스. 이 코드부터 실행됨 */
    printf('\n Hello, I am child! Now I'll run date\n');
    execlp('/bin/date', '/bin/date', (char*) 0); /* date라는 새로운 프로그램으로 자식이 자기자신을 덮어씌움 */
  
  else if (pid > 0) /* 부모 프로세스 */
    printf('\n Hello, I am parent\n');
}

아래 코드에서는 1 -> 3 순서로 출력되지만, 2는 영원히 출력되지 않는다.

int main()
  printf('1;);
  execlp('echo', 'echo', '3', (char*)0);
  printf('2');

wait() 시스템 콜

보통 자식 프로세스를 생성한다음 wait() 시스템 콜을 한다.
프로세스 A가 wait() 시스템 콜을 호출하면

커널은 child가 종료될 때까지 프로세스 A를 sleep 시킨다. (block 상태)
child process가 종료되면 커널은 프로세스 A를 깨운다. (ready 상태)

exit() 시스템 콜

프로세스의 종료

자발적 종료
- 마지막 statement 수행 후 exit() 시스템 콜을 통해
- 프로그램에 명시적으로 적어주지 않아도 main함수가 return되는 위치에 컴파일러가 넣어줌
비자발적 종료
- 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제 종료시킴
  - 자식 프로세스가 한계치를 넘어서는 자원 요청
  - 자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요하지 않음
- 키보드로 kill, break 등을 친 경우 (ex. cmd + c)
- 부모가 종료하는 경우
  - 부모 프로세스가 종료하기 전에 자식들이 먼저 종료됨

프로세스 간 협력

독립적 프로세스 (independent process)
- 프로세스는 각자의 주소 공간을 가지고 수행되므로 원칙적으로 하나의 프로세스는 다른 프로세스의 수행에 영향을 미치지 못함
협력 프로세스 (cooperation process)
- 프로세스 협력 메커니즘을 통해 하나의 프로세스가 다른 프로세스의 수행에 영향을 미칠 수 있음.
프로세스 간 협력 메커니즘(IPC: Interprocess Communication)
- 메시지를 전달하는 방법
  - message passing: 커널을 통해 메시지 전달. 프로세스 사이에 공유변수(shared variable)를 일체 사용하지 않음.
    - direct communication: 통신하려는 프로세스의 이름을 명시적으로 표시
    - indirect communication: kernel에 존재하는 mailbox(또는 port(네트워크에서의 포트와 다른 개념))를 통해 메시지를 간접 전달
- 주소 공간을 공유하는 방법
  - shared memory: 서로 다른 프로세스 간에도 일부 주소 공간을 공유하게 하는 shared memory 메커니즘이 있음.
  - thread: thread는 사실상 하나의 프로세스 내에 CPU 수행 단위가 여럿 있는 것이므로 프로세스 간 협력으로 보기는 어렵지만, 동일한 process를 구성하는 thread 간에는 주소 공간을 공유하므로 협력이 가능