[운영체제] 3. 프로세스 관리 (5) - 프로세스 생성 및 시스템 콜

jyleever·2023년 2월 19일

운영체제

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프로세스 생성 1 (Process Creation)

부모 프로세스(Parent process)가 자식 프로세스(children process) 생성

프로세스의 트리(계층 구조) 형성
프로세스는 자원을 필요로 함
- 운영체제로부터 받는다
- 부모와 공유한다
  원칙적으로는 프로세스끼리 자원 문제로 경쟁하지만, 자식 프로세스와 부모 프로세스는 별개의 프로세스임에도 불구하고 공유할 수 있다
자원의 공유
1. 부모와 자식이 모든 자원을 공유하는 모델
2. 일부를 공유하는 모델
3. 전혀 공유하지 않는 모델
수행(Execution)
1. 부모와 자식은 공존하며 수행되는 모델
2. 자식이 종료(terminate)될 때까지 부모가 기다리는(wait) 모델

프로세스 생성 2 (Process Creation)

프로세스가 생성되면 그 프로세스만의 독자적인 주소 공간(code-data-stack)이 생성된다.

주소 공간 (Address Space)
- 자식은 부모의 공간을 복사함 (binary and OS data)
  - data, stack, code 모두 복사됨. stack도 그대로 복사하기 때문에, 현재 호출된, 즉 부모가 수행한 위치에서부터 실행된다고 이해하면 됨.
- 자식은 그 공간에 새로운 프로그램을 올림
유닉스의 예
- fork() 시스템 콜이 새로운 프로세스를 생성
  - 부모를 그대로 복사 (OS data except PID + Binary)
  - 주소 공간 할당
- fork 다음에 이어지는 exec() 시스템 콜을 통해 새로운 프로그램을 메모리에 올림
  
  fork() vs exec()
  fork() : 복제 및 생성
  exec() : 완전히 새로운 프로그램으로 덮어씌우는 것

프로세스 종료(Process Termination)

컴퓨터 세계에서는 자식 프로세스가 부모 프로세스보다 먼저 종료된다

프로세스가 마지막 명령을 수행한 후 운영체제에게 이를 알려줌 (exit)
- 자식이 부모에게 종료된다는 output data를 보냄 (via wait)
- 프로세스의 각종 자원들이 운영체제에게 반납됨
부모 프로세스가 자식의 수행을 종료시킴 (abort)
- 자식이 할당 자원의 한계치를 넘어섬
- 자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요하지 않음
부모가 먼저 종료(exit)하는 경우? -> 룰을 위배한 경우
- 운영체제는 부모 프로세스가 종료하는 경우 자식이 더 이상 수행되도록 두지 않는다.
- 단계적인 종료 (프로세스의 계층 구조의 말단에 있는 것부터 죽인다는 것)

프로세스와 관련한 시스템 콜

fork() : create a child(copy)
exec() : overlay new image
wait() : sleep until child is done
exit() : frees all the resources, notify parent

fork() 시스템 콜

자식 프로세스 생성하는 커널 함수 호출

A process is created by the fork() system call

creates a new address space that is a duplicate of the caller

int main()
{	int pid;
	pid = fork();
    if (pid == 0) // this is child
    	printf("\n Hello, I am child\n");
    else if (pid > 0) // this is parent
    	print("\n Hello, I am parent\n");
}

부모 프로세스와 자식 프로세스는 원본과 복제본이기 때문에 구분할 필요가 있다.
둘 다 똑같은 부분에서부터 실행됨!

fork() 시스템 콜을 호출한 그 결과값, return value가
부모 프로세스인 경우 양수를 리턴
자식 프로세스인 경우 0을 리턴

parent process : pid > 0
child process : pid = 0

보통은 자식 프로세스에게 다른 일을 시키기 때문에 pid로 구분할 필요가 있다.

exec()

부모와 자식 프로세스가 다른 프로그램을 돌리기 위해서는, 즉 새로운 프로그램을 덮어 씌우기 위해서는 exec() 시스템 콜을 이용한다.

A process can execute a differnt program by the exec() system call

replaces the memory image of the caller with a new program

int main()
{
	printf("\n Hello"); // printf - 1
    execlp("/bin/date", "/bin/date". (char *) 0); // execlp
    printf("\n Hello"); // printf - 2
}

printf-1, execlp, printf - 2 이렇게 수행되는 것이 아니라, printf - 1 수행 후 execlp 수행하여 완전히 다른 프로그램이 덮어씌워지게 됨
따라서 printf - 2는 수행하지 않고 계속 execlp로 호출한 프로그램 속에서 수행됨

exec() 시스템 콜

A process can execute a different program by the exec() system call

replaces the memory image of the caller with a new program

fork() 후 exec()

int main()
{	int pid;
	pid = fork();
    if (pid == 0) // this is child
    	printf("\n Hello, I am child\n");
        execlp("/bin/date", "/bin/date". (char *) 0); // execlp

    else if (pid > 0) // this is parent
    	print("\n Hello, I am parent\n");
}

부모 프로세스가 fork() 함수를 호출하여 운영체제에 자식 프로세스를 요청하면 자식 프로세스가 생성된다. 모든 시스템 안에 있는 프로세스는 부모 프로세스가 존재한다. 또한 fork()는 자기 자신의 복제 생성이다.

자식 프로세스는 부모 프로세스의 문맥을 그대로 따르기 때문에 fork()가 실행된 직후부터 수행되며, 이 때 fork()의 return value는 부모 프로세스는 pid = 0, 자식의 프로세스는 pid > 0
pid에 따라 다른 작업을 수행할 수 있도록 한다

또한 exec() 는 하나의 프로세스를 완전히 다른 프로세스로 덮어씌우는 함수 (C에서는 execlp() ... exec() 호출)
exec() 안에 수행할 프로그램과 전달할 인자를 argument 로 넣고..

wait() 시스템 콜

자식이 종료될 때까지 부모 프로세스는 block 상태

프로세스A가 wait() 시스템 콜을 호출하면

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

wait() 시스템 콜을 호출하는 이유?
wait()를 하지 않으면 부모와 자식 프로세스는 경쟁 상태에 놓이게 됨

exit() 시스템 콜

프로세스를 종료시키는 시스템 콜
자식 프로세스는 모든 자원을 반납하고 부모 프로세스에게 종료됨을 알림

명시적으로 작성하지 않아도 컴파일러가 마지막에 exit()를 넣어줌
프로그램 상에서 명시적으로 작성할 수도 있음

프로세스의 종료
- 자발적 종료
  - 마지막 statement 수행 후 exit() 시스템 콜을 통해
  - 프로그램에 명시적으로 적어주지 않아도 main 함수가 리턴되는 위치에 컴파일러가 자동으로 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(엑스표..)
  - 부모가 종료하는 경우
    - 부모 프로세스가 종료하기 전에 자식들이 먼저 종료됨

프로세스 간 협력

프로세스는 독립적이고 서로 간섭하지 않지만 경우에 따라서는 서로 협력이 필요할 때가 있다.

독립적 프로세스 (Independent process)
- 프로세스는 각자의 주소 공간을 가지고 수행되므로 원칙적으로 하나의 프로세스는 다른 프로세스의 수행에 영향을 미치지 못 함
협력 프로세스 (Cooperating process)
- 프로세스 협력 매커니즘을 통해 하나의 프로세스가 다른 프로세스의 수행에 영향을 미칠 수 있음
  다른 프로세스의 메모리 공간을 볼 수도 있지만 직접적인 협력은 하지 않음
프로세스 간 협력 매커니즘 (IPC : Interprocess Communication)
- 메시지를 전달하는 방법
  message passing : 커널을 통해 메시지 전달
  프로세스A가 프로세스B에게 메시지를 전달하는데, 직접 전달하는 것은 아니고 운영체제에게 시스템 콜을 하여 메시지 패싱이 이루어짐
- 주소 공간을 공유하는 방법
  shared memory : 서로 다른 프로세스 간에도 일부 주소 공간을 공유하게 하는 shared memory
  운영체제에게 시스템 콜을 하여 shared memory가 이루어짐
  shared memory에 다른 프로세스가 써놓은 것이 공유되어있으므로 읽을 수 있음
  프로세스가 서로 신뢰할 수 있는 경우에는 공유해도 되지만, 신뢰할 수 없는 경우에는 문제가 될 수 있으므로 서로 신뢰할 수 있음을 보장해야 한다.
  
  thread : shared memory와는 다르다. shared memory는 다른 프로세스 간의 문제지만 쓰레드는 사실상 하나의 프로세스이므로 프로세스 간 협력으로 보기는 어렵다. 다만 동일한 process를 구성하는 thread 간에는 주소 공간을 공유하므로 협력이 가능 (쓰레드끼리.. 결국 메모리 공간이 하나니까..)