OS 4. Process Management

December 16, 2019

반효경 교수님 <운영체제 수업(2014)>을 듣고 추가 자료를 덧붙여 정리한 내용입니다.

1. 프로세스의 생성 (Process Creation)

process cycle

출처: https://walkccc.github.io/CS/OS/Chap03/

운영체제는 부모 프로세스(Parent Process)의 Address space를 ‘복제’하여 자식 프로세스(Child Process)를 만든다.

자식 프로세스에 해당하는 PCB 역시 별도로 생성한다.
자식 프로세스는 할당받은 주소공간에 새로운 프로그램을 올린다.

프로세스의 생성은 다음의 두 단계로 진행된다.

1단계: fork system call ─ 부모 프로세스를 복제해서 자식 프로세스 생성
2단계: exec system call ─ 자식 프로세스가 주소공간에 새로운 프로그램을 올림

→ 두 단계는 서로 ‘독립적’이다. 즉, 1단계의 fork를 수행하지 않아도 exec을 통해 새로운 프로세스를 생성할 수 있다.
→ system call이라는 단어에서 알 수 있듯이 프로세스의 생성은 사용자 프로그램이 운영체제에 요청을 통해 의해 수행된다. 프로세스를 만들어 달라고 운영체제에 부탁하는 것.

최초의 프로세스 하나부터 시작해서 프로세스의 트리 구조를 형성한다.

tree of processes

출처: https://walkccc.github.io/CS/OS/Chap03/

자원을 공유하는 형태

부모와 자식이 모든 자원을 공유하는 모델
일부를 공유하는 모델
전혀 공유하지 않는 모델

부모 프로세스와 자식 프로세스는 서로 독립적으로 존재하며 CPU 제어권을 두고 경쟁하는 관계이다. 자원을 공유하지 않는 경우가 일반적이다.
하지만 리눅스를 비롯한 일부 모델에서는 부모 자식 프로세스가 자원을 공유하다가 부모 또는 자식 프로세스에서 변경사항이 생겼을 때 해당 부분만 복제해서 물리적 메모리에 할당하는 Copy-on-Write(COW) 기법을 사용한다. Copy-on-Write는 write가 발생해서 내용이 수정됐을 때 copy를 한다는 의미이다. COW 기법을 사용하면 메모리를 보다 효율적으로 사용할 수 있다.

cow 1 cow 2

출처: https://www.cs.uic.edu/~jbell/CourseNotes/OperatingSystems/9_VirtualMemory.html

프로세스의 수행(Execution) 형태

부모와 자식이 공존하며 CPU 제어권을 두고 경쟁하는 모델
자식이 종료(terminate)될 때까지 부모가 기다리는(blocked, wait) 모델

2. 프로세스의 종료 (Process Termination)

프로세스가 마지막 명령을 수행한 후 운영체제에게 이를 알려준다.
: exit system call (자발적 종료)
- 프로세스의 세상에서는 항상 자식 프로세스가 먼저 종료되며, 자식 프로세스는 종료 시점에 wait system call을 통해 부모에게 output data를 전달한다.
- 프로세스의 각종 자원들이 운영체제에게 반납된다.

다음의 3가지 경우에는 부모 프로세스가 자식 프로세스의 수행을 종료시킨다.
: abort system call (비자발적 강제 종료)
1. 자식이 할당 자원의 한계치를 넘어서는 경우
2. 자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요하지 않은 경우
3. 부모 프로세스가 먼저 종료(exit)되는 경우
  - 운영체제는 부모 프로세스가 종료되는 경우 자식 프로세스가 수행되도록 두지 않는다.
  - 자식이 생성한 모든 자손 프로세스들을 종료시킨다. 트리의 가장 깊은 레벨에 위치한 자손부터 단계적으로 종료시킨 후 맨 마지막에 부모 프로세스를 종료시킨다.

3. 프로세스와 관련된 시스템 콜

(1) fork

(2) exec

(3) wait

(4) exit

(1) fork

fork 시스템 콜은 자식 프로세스를 생성할 때 사용된다.

아래 코드는 부모 프로세스가 fork 시스템 콜을 통해 프로세스 생성을 요청하는 내용을 담고 있다.

// Parent Process

int main() {
  pid_t pid;
  printf("\n Hello, I am parent!\n");

  /* fork a child process */
  pid = fork();
  if (pid < 0) {
    /* error occurred */
    fprintf(stderr, "Fork Failed");
    return 1;
  } else if (pid == 0) {
    /* child process */
    /* a version of the `exec()` */
    execlp("/bin/ls", "ls", NULL);
  } else {
    /* parent process */
    /* parent will wait for the child to complete */
    wait(NULL);
    printf("Child Complete");
  }
  return 0;
}

line 7에서 fork를 호출하면 다음과 같이 부모의 Address space를 그대로 복제한 자식 프로세스가 생성된다. 부모 프로세스는 fork를 호출한 뒤 나머지 코드를 순차적으로 실행해 나간다.

// Child Process

int main() {
  pid_t pid;
  printf("\n Hello, I am parent!\n");

  /* fork a child process */
  pid = fork();

  if (pid < 0) {    (...)
  }
  return 0;
}

자식 프로세스는 부모 프로세스의 문맥을 동일하게 가지고 있기 때문에 main 함수를 처음부터 실행하지 않고 부모의 PC가 가리키고 있던 부분(fork 실행이 종료된 후 그 다음줄)부터 실행을 이어나간다.

따라서 자식 프로세스는 “Hello, I am parent!”를 프린트하거나 fork를 호출해서 또다른 자식 프로세스를 생성하지 않는다.

<‘fork를 통한 프로세스 복제 생성’의 이슈와 해결방안>

fork를 사용해서 프로세스를 복제 생성할 경우 아래 두 가지 이슈가 발생할 수 있다.

복제본이 원본 역할을 하려는 경우
부모/자식 프로세스의 flow control

운영체제는 이러한 이슈들을 부모와 자식의 pid 즉 fork의 리턴값을 다르게 줘서 해결한다.

pid (Process Identifier)는 각각의 프로세스를 구별하는 고유한 정수(integer)값으로, 부모 프로세스는 pid가 양수이지만(pid > 0) 자식 프로세스는 0이다(pid === 0). 운영체제는 pid를 통해 부모/자식을 구분하고 프로세스의 실행 흐름을 제어할 수 있다.

int main() {
  (...)

  if (pid < 0) {
    /* error occurred */
    (...)
  } else if (pid == 0) {
    /* child process */
    (...)
  } else {
    /* parent process */
    (...)
  }

  (...)
}

(2) exec

exec는 기존 코드를 새로운 코드로 덮어쓸 때 사용된다.

exec 시스템 콜과 fork 시스템 콜은 독립적이기 때문에 반드시 fork를 해야만 exec을 할 수 있는건 아니다. 또한 자식 프로세스 뿐만 아니라 부모 프로세스 역시 exec을 사용할수 있다.

중요한건 exec을 한 번 실행하면 되돌릴 수 없다는 점이다. exec을 실행해서 코드를 새롭게 덮어쓰게 되면 새로운 코드의 실행이 끝난 뒤 덮어쓰기 전의 기존 코드로 돌아오는게 아니라 프로세스가 아예 종료된다. 따라서 기존 코드의 execlp()(= exec 실행 함수) 이후의 코드는 실행 할 수 없다.

int main() {
  printf("Hello!");
  execlp("echo", "echo", "3", (char *)0);
  printf("Can't execute me");
}

위 소스 코드의 출력결과는 다음과 같다.

Hello
3

(3) wait

프로세스는 항상 자식 프로세스가 부모 프로세스보다 먼저 종료된다고 했었다. wait 시스템 콜은 자식 프로세스가 종료될 때 까지 기다릴 때 사용된다.

// Parent Process

int main() {
  (...)

  pid = fork();

  if (pid < 0) {
    /* error occurred */
    (...)
  } else if (pid == 0) {
    /* child process */
    (...)
  } else {
    /* parent process */
    wait(NULL);    printf("Child Complete");
  }
  (...)
}

프로세스 A가 wait 시스템 콜을 호출하면 커널은 자식 프로세스가 종료될 때 까지 해당 프로세스 A를 blocked 상태로 sleep 시키고 자식 프로세스가 종료되면 다시 프로세스 A를 깨워서 ready 상태로 만든다.

(4) exit

exit 시스템 콜은 프로세스를 종료할 때 사용되며 아래 소스 코드와 같이 프로그램 내에서 명시적으로 호출할 수도 있고, 컴파일러가 알아서 필요한 시점에 (e.g. 코드 실행 종료 시점)에 호출하기도 한다.

execlp와 마찬가지로 exit 실행 이후의 코드는 실행 할 수 없다.

int main() {
  (...)

  exit();  printf("Can't execute me");

  (...)
  /* exit() 호출 */
}

프로세스의 종료는 다음과 같이 자발적/비자발적으로 나눌 수 있다.

자발적 종료

마지막 statement 수행 후 exit 시스템 콜을 실행하는 경우
프로그램에 명시적으로 넣어주지 않아도 main 함수가 리턴되는 위치에 컴파일러가 넣어줌

비자발적 종료

부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제 종료시키는 경우
- 자식 프로세스가 한계치를 넘어서는 자원을 요청하는 경우
- 자식에게 할당된 프로세스가 더 이상 필요하지 않은 경우
키보드로 kill, break 등을 친 경우
- e.g. 프로그램 닫기 버튼 클릭
부모 프로세스가 종료되는 경우
- 부모 프로세스가 종료되기 전에 자식들이 먼저 종료됨

4. 프로세스 간 협력

원칙적으로 프로세스는 각자의 주소공간을 가지고 수행되므로 하나의 프로세스가 다른 프로세스의 수행에 영향을 미치지 못하지만(= 독립적 프로세스, Independent process)
협력 메커니즘을 통해 하나의 프로세스가 다른 프로세스의 수행에 영향을 미칠 수 있다.(= 협력 프로세스, Cooperating process)

프로세스 간 협력 메커니즘 (IPC: Interprocess Communication)

process communications models

출처: https://www.geeksforgeeks.org/inter-process-communication-ipc/

shared memory
- 서로 다른 프로세스 간에 일부 주소공간을 공유
- shared memory를 mapping할때만 시스템콜 날림 → faster
👀 스레드는 사실상 하나의 프로세스이므로 프로세스 간 협력으로 보기는 어렵지만, 동일한 프로세스를 구성하는 스레드들 간에는 주소공간을 공유하므로 협력이 가능함

message passing
- 프로세스 사이에 공유 변수(shared variable)을 일체 사용하지 않고 커널을 통해 통신하는 방법
- 메시지를 보낼 때마다 시스템콜을 날림 → slower
- 통신하려는 프로세스의 이름을 명시적으로 표시하는지 여부에 따라 direct / indirect로 구분

Direct Communication ─ 통신하려는 프로세스의 이름을 명시적으로 표시 direct

Indirect Communication ─ mailbox(또는 port)를 통해 메시지를 간접적으로 전달 메시지를 메일박스에 넣어놓기만 하고 어떤 프로세스가 받을지는 명시하지 않음 (아무나 받아라)

@Reese

Sin Prosa Sin Pausa