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04 프로세스 관리 Process Management

목차

  1. 프로세스의 생성과 종료

      1-1. 프로세스의 생성

      1-2. 프로세스의 종료

 

  1. 프로세스 시스템 콜

      2-1. fork 시스템 콜

      2-2. exec 시스템 콜

      2-3. wait 시스템 콜

      2-4. exit 시스템 콜

 

  1. 프로세스 간 협력

      3-1. 메시지 교환 Message Passing

      3-2. 데이터 공유 Shared Memory



1. 프로세스의 생성과 종료

 

1-1. 프로세스의 생성

 

운영체제가 프로세스를 전부 생성하는 것이라고 생각할 수 있지만 시스템이 부팅된후 최초의 프로세스만 직접 생성하고 그 다음부터는 이미 존재하는 프로세스가 다른 프로세스를 복제 생성하게 된다. 이 때 프로세스를 생성한 프로세스를 부모 프로세스 Parent Process, 새롭게 생성된 프로세스를 자식 프로세스 Children Process라고 한다. 결과적으로 프로세스는 트리(계층 구조)를 형성한다. 부모와 자식은 별도의 주소 공간을 가진다. 자식 프로세스는 부모의 주소 공간을 그대로 복제하여 생성하고 그 공간에 새로운 프로그램을 올린다. 현실 세계와는 다르게 자식 프로세스가 먼저 죽고, 부모 프로세스는 그 이후에 죽는 구조이다.

 

  • 자원공유 여부에 따라 분류 (원칙적으로는 자원을 공유하지 않는다.)
    • 부모 프로세스와 자원을 공유하는 모델
    • 일부를 공유하는 모델
    • 전혀 공유하지 않는 모델(일반적)

 

  • 수행(Execution)에 따른 분류
    • 부모와 자식은 공존하며 수행되는 모델
    • 자식이 종료(terminate)될 때까지 부모가 기다리는(wait) 모델

 

유닉스의 경우 fork() 시스템 콜이 부모의 주소 공간을 복사(OS data except PID + binary)해 새로운 프로세스를 생성하고 exec() 시스템 콜을 통해 새로운 프로그램으로 주소 공간을 덮어씌운다.

 

Copy-On-Write

Copy On Write는 위의 fork()와 exec()에서 사용된다. COW는 리소스가 복제되었지만 수정되지 않은 경우 새 리소스를 만들 필요 없이 복사본과 원본이 리소스를 공유하고, 복사본이 수정되었을 때만 새 리소스를 만드는 리소스 관리 기법을 말한다. 간단히 말하면 write인 exec()가 발생했을 때 copy를 진행하는 것이다.

 

운영체제에서는 COW를 통해 프로세스가 같은 페이지를 공유하게 만들어 overhead를 줄인다. 아래 그림은 process1에서 page C가 변경됐을 때의 경우 일어나는 일을 형상화한 것이다. 내용이 변하지 않은 page는 유지하고 변경된 것만 새로운 page를 할당해 가리키게 만드는 것이다.



 

1-2. 프로세스의 종료

 

프로세스는 마지막 명령을 수행한 뒤 exit()을 통해 운영체제에 알려준다. 자식 프로세스는 부모에게 output data를 전송한다. 또한 프로세스는 종료와 함께 각종 자원들을 운영체제로 반납한다.

 

위의 경우는 자발적으로 프로세스를 종료시키는 경우지만 만약 자식이 할당 자원의 한계치를 넘어서거나, 자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요하지 않다거나, 부모 프로세스가 먼저 종료되어 버리는 경우(운영체제는 부모 프로세스가 종료되는 경우, 자식이 더 이상 수행되도록 두지 않는다)에는 abort()를 통해 자식 프로세스를 강제종료를 진행하게 된다.

 

2. 프로세스 시스템 콜

 

2-1. fork() 시스템 콜

 

  • 자식 프로세스는 fork() 이후부터 실행하게 된다.
  • fork 함수가 실행 된 직후에는 자식 프로세스 부모 프로레스와 동일한 주소 공간의 복사본을 가지게 된다.
  • fork 함수는 부모 프로세스에게는 자식프로세스의 PID를 반환하며 자식 프로세스에게는 0을 반환한다.
  • 여기서 PID란 Process ID로 프로세스 식별자이다.
int main()
{
    int pid;
    pid = fork();
    if (pid == 0) // 자식 프로세스의 경우
        printf("\n난 자식 프로세스야\n");
    else if (pid > 0) // 부모 프로세스의 경우
        printf("\n난 부모 프로세스야\n");
}

 

2-2. exec() 시스템 콜

 

exec()라는 함수는 없다. 다만 exec family가 존재할 뿐이다. 종류는 아래와 같다.

int execl(const char *pathname, const char *arg, .../* (char  *) NULL */);
int execv(const char *pathname, char *const argv[]);
int execle(const char *pathname, const char *arg, .../*, (char *) NULL, char *const envp[] */);
int execve(const har* pathname, char *const argv[], char *const ecnp[]);
int execlp(const char *file, const char *arg, .../* (char  *) NULL */);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execvpe(const char *file, char *const argv[],char *const envp[]);

 

  • 아래 코드는 리눅스 환경에 있는 date라는 프로그램을 자식 프로세스에 덮어쓰는 코드이다.
  • execlp()가 실행되면 뒤에 있는 코드는 아예 무시되고 함수에서 가리킨 새로운 프로그램을 실행하고 그 프로그램이 종료되면 자식 프로세스도 같이 종료한다.
int main()
{
    int pid;
    pid = fork();
    if (pid == 0)
    {
        print("\n난 자식 프로세스야.\n);
        execlp("/bin/date", "bin/date", (char *)0);
    }
    else if (pid > 0)
        printf("\n난 부모 프로세스야\n");
}



2-3. wait() 시스템 콜

 

  • 프로세스 A가 wait() 시스템 콜을 호출했을 때
    • 커널은 child가 종료될 때까지 프로세스 A를 sleep시킨다.(block 상태)
    • child process가 종료되면 커널은 프로세스 A를 깨운다.(ready 상태)
int main()
{
    int pid;
    pid = fork();

    if (pid == 0)
        <code for child process>
    else
    {
        wait();
    }
}

 

2-4. exit() 시스템 콜

 

  • 자발적 종료
    • 마지막 statement를 수행 후 exit() 시스템 콜을 프로그램에 명시적으로 적어주지 않아도 main 함수가 리턴되는 위치에 exit()함수를 컴파일러가 자동으로 넣어준다.

 

  • 비자발적 종료
    • 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제 종료시키는 경우
      • 자식 프로세스가 한계치를 넘어서는 자원 요청
      • 자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요하지 않음
    • 키보드로 kill, break 등을 친 경우
    • 부모가 종료하는 경우
      • 부모 프로세스가 종료하기 전에 자식들이 먼저 종료



3. 프로세스 간 협력

 

프로세스는 각자 자신만의 독립적인 주소 공간을 가지고 수행되며 프로세스가 다른 프로세스의 주소 공간을 참조하는 것은 허용되지 않는다. 따라서 원칙적으로는 하나의 프로세스는 다른 프로세스의 수행에 영향을 미칠 수 없다. 사실상 부모 프로세스와 자식 프로세스는 서로 자원을 획득하기 위해 경쟁적인 관계에 놓이는 독립적 프로세스 Independent process이다.

 

경우에 따라서 독립적인 프로세스들이 서로 협력할 때 업무의 효율성이 증진될 수 있다. 운영체제는 프로세스 간의 협력 매커니즘을 제공해 하나의 프로세스가 다른 프로세스의 수행에 영향을 미칠 수 있게 한다. 서로 영향을 미치는 프로세스를 협력 프로세스 Cooperating process라고 하고, 프로세스 간 협력 메커니즘을 IPC: Interprocess Communicatoin이라고 한다.

 

  • IPC의 유형
    • 메시지를 전달하는 방법
      • message passing: 커널을 통해 메시지 전달
    • 주소 공간을 공유하는 방법
      • shared memory: 서로 다른 프로세스 간에도 일부 주소 공간을 공유하게 하는 shared memory 메커니즘
      • cf) thread: thread는 하나의 프로세스이므로 프로세스 간 협력으로 보기 어렵지만 동일한 process를 구성하는 thread들 간에는 주소 공간을 공유하므로 협력이 가능하다.

 

3-1. 메시지 교환 Message Passing

 

커널이 memory protection을 위해 대리 전달해주는 것을 말한다. 덕분에 안전한 방식이고 동기화 문제가 없다는 장점이 있지만 성능이 비교적 안 좋다는 단점이 존재한다.

 

  • Message system
    • 프로세스 사이에 공유 변수(shared variable)를 일체 사용하지 않고 통신하는 시스템

 

  • Direct Communication
    • 통신하려는 프로세스의 이름을 명시적으로 표시

 

  • Indirect Communication
    • mailbox (또는 port)를 통해 메시지를 간접 전달

 

3-2. 데이터 공유 Shared Memory

 

프로세스 간의 공유된 메모리를 생성해 이용하는 것을 말한다. 성능이 좋지만 보안이 취약하고 동기화 문제가 발생한다는 단점이 있다.



출처

  • 반효경, 운영체제와 정보기술의 원리
  • Abraham Silberschatz, Operating System Concept
  • https://rebro.kr/

Edited by pythonstrup (myvelop.tistory.com)

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