[OS] 프로세스의 생성과 복사

게시 2024/04/07 업데이트 2024/05/29

By Jangan Lee 읽는 시간 18분

1. 프로세스의 생성

1.1. 프로세스가 생성되는 경우

시스템 부팅 과정에서 필요한 프로세스 생성
사용자 로그인 후 사용자 제어(대화) 위한 프로세스 생성
- bash
- explorer.exe
- finder.app 등
새 프로세스 생성하는 사용자 명령 (ex: vi hello.c)
배치 작업 실행 시(at, batch 명령)
사용자 응용 프로그램이 syscall로 새 프로세스 생성

단순히 메모리에 올라갔다고 프로세스가 되는 것이 아니다.
그냥 메모리에 올라가져‘만’ 있으면 아무 의미가 없다.
PCB가 존재해 OS가 제어 가능한 형태가 되어야 함 → CPU 할당 받아 실행이 가능해진다.

1.2. 프로세스 생성 과정

생성할 실행파일 경로를 OS에 전달
OS는 메모리에 프로그램 적재
- Code 영역에 프로그램 코드 적재
- Data 영역에 전역/정적 변수 할당
- 스택/힙은 아직 아무것도 없으므로 초기화만 시킴
PCB 공간 할당 받고(malloc), 필요 정보 채움
- 프로세스 식별자 결정 → 새 PID 번호 할당
- 프로세스 정보 기록
- 프로세스 테이블에서 새 항목 할당
- 새로 할당된 프로세스 테이블에 PCB 연결
PCB에 프로세스 상태를 ready로 표시하고, 준비 큐에 장착

1.3. 복사에 의한 프로세스 생성

프로세스 생성 과정은 이처럼 할 일이 많으므로, 다른 프로세스를 생성하기 위해 기존의 프로세스를 복사하여 생성하는 것이 상대적으로 간편하다. 현대 운영체제는 상당수가 이를 따르고 있다.

Linux: fork() 시스템 콜
Windows CreateProcess() 등 시스템 콜

엄밀히 말하면 윈도우에는 fork()는 없다. CreateProcess()는 fork() + exec()에 가깝다.

UNIX 계열 OS는 시스템 부팅 시 0번 프로세스만 자체적으로 생성한다. 나머지 프로세스는 복제를 통해 생성한다. 이렇게 함으로써 얻는 이점은 아래와 같다.

자주 사용되는 프로세스에 대해 매번 반복할 필요 X (예: bash shell)
관리상 편리해짐 (프로세스 계층 구조)
Process 간 통신

2. fork() 시스템 콜

fork(): 새로운 프로세스를 실행 중 프로세스로부터 복사하는 함수
실행 중인 프로세스와 똑같은 프로세스가 하나 더 만들어진다.
- int pid = fork();
부모 프로세스: fork를 호출한 프로세스
자식 프로세스: fork된 프로세스
부모 프로세스의 모든 환경, 메모리, PCB 등을 복사
부모와 동일한 모양이지만 독립된 주소 공간에 위치함

단, PCB에서 아래 내용은 달라진다.

PID
PPID(Parent PID): 부모의 PID로 초기화
CPID(Chlid PID): 자식이 없을 경우 -1
메모리 관련 정보: 독립된 주소 공간을 소유하기 때문

2.1. 실행 과정

  
pid_t pid; //pid 변수 선언

pid = fork(); //자식 프로세스 생성
              //자식 프로세스는 이 라인 밑에서부터 실행됨

if (pid > 0) {
    /* 부모 프로세스가 실행할 코드 */
}
else if (pid == 0) {
    /* 자식 프로세스가 실행할 코드 */
}
else {
    /* fork() 오류 처리하는 코드 작성 */
}

자식은 부모의 PC(Program Counter)도 복제, pid = fork(); 그 다음 줄부터 실행된다.
- 즉 pid = fork(); 이전 라인은 실행이 불가능
fork() 함수의 리턴값
- 부모 프로세스: 자식 프로세스의 PID (> 0)
- 자식 프로세스: 0
- Error: 음수

code example for xNIX

  
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t pid;
    int i, sum = 0;

    pid = fork();  // fork! -> create a child process
    if (pid > 0) { // Run by the parent
        printf("Parent: fork()'s return == Child pid = %d\n", pid);
        printf("Parent: pid = %d\n", getpid());

        wait(NULL); // Wait for the child
        printf("Parent has been finished\n");
        return 0;
    } else if (pid == 0) { // Run by the child
        printf("\t-Child: fork()'s return pid = %d\n", pid);
        printf("\t-Child: pid = %d, parent's pid = %d\n", getpid(), getppid());

        for (i = 1; i <= 100; i++)
            sum += i;

        printf("\t-Child: sum = %d\n", sum);
        return 0;
    } else { // Error
        printf("fork error");
        return 0;
    }
}

실행 결과

Parent: fork()'s return == Child pid = 482
Parent: pid = 481
    -Child: fork()'s return pid = 0
    -Child: pid = 482, parent's pid = 481
    -Child: sum = 5050

2.2. 장점

프로세스 생성 속도 빠름
추가 작업 없이 자원 상속 가능
시스템 관리 효율적으로 가능 (프로세스 계층 구조)

2.3. 단점

매번 모든 Context의 복사본 만드는 것은 매우 비효율적
맨 처음 만든 프로그램 프로세스(0번 프로세스) 이외에는 다른 프로그램 동작 불가
- 해결책: exec() 시스템 콜 - fork() 후 실행

3. exec() 시스템 콜: Process Overlay

기존의 프로세스를 새 프로세스로 전환(재사용)하는 함수
현재 실행 중인 프로세스 주소 공간에 새로운 응용프로그램 적재 후 실행
- fork(): 새 프로세스를 복사하는 syscall
- exec(): 프로세스 그대로 둔 채 내용만 바꾸는 syscall
  - execlp(), execv(), execvp(), …
실행 파일을 로딩 후, 현재 프로세스 이미지 위에 단순이 덮어쓰는 것

프로세스를 새로 생성하는 것이 아니다.
프로세스 PID가 변경되지 않는다.
프로세스 메모리 공간(코드, 데이터, 힙, 스택)에 새 프로그램이 적재되는 것이다.
보통 fork() 통해 생성된 자식 프로세스가 exec()를 실행한다.
loader가 exec를 통해 호출된다.

3.1. 실행 과정

메모리

Code 영역에 있는 기존의 내용을 지우고, 새로운 코드를 덮어씌움
Data 영역이 새 변수로 채워지고, 힙/스택 영역이 리셋됨

PCB

PID, PPID, CPID, 메모리 관련 정보는 유지
- 새 프로세스가 전환 되더라도, 종료 후 부모 프로세스로 돌아올 수 있음
Program counter를 비롯한 register, 파일 정보 등이 모두 리셋됨
- 오버레이된 프로그램의 맨 처음부터 실행하게 된다.

4. wait() 시스템 콜

자식 프로세스가 끝날 때까지 무한히 기다리다가, 자식 프로세스가 종료되면 그 다음 코드부터 이어서 실행을 계속할 수 있게 하는 시스템 콜
Linux shell에서의 예:
- foreground process 있는 경우: shell은 wait 상태
- 프로세스 실행 중 상태에서 Ctrl + Z → 프로세스 일시중단 → 쉘이 wait에서 빠져나온다.

code example for xNIX

  
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t pid;
    int status;

    pid = fork(); //새 프로세스 분기

    //자식 프로세스는 여기서부터 실행된다.
    if (pid > 0) {
        printf("Parent: Wating for the child\n");
        wait(&status); // Wait.
        printf("Parent: child's exit code=%d\n", WEXITSTATUS(status));
        return 0;
    } else if (pid == 0) {
        execlp("/bin/ls", "ls", NULL); // run ls on the child
                                       // 이게 실행되면 이 밑의 코드는 싹 무시된다!
                                       // (자식은 절대 그 존재를 모른다)
    } else {
        printf("fork error!");
        return 0;
    }
}

실행 결과

  
Parent: Wating for the child
forkEx.c  Makefile    threadEx2.c  waitEx.c  # 자식 프로세스 /bin/ls 실행 결과
main      replit.nix  threadEx.c             # 자식 프로세스 /bin/ls 실행 결과
Parent: child's exit code=0

5. exit() 시스템 콜

작업의 종료를 알리는 시스템 콜
종료를 명시적으로 알림으로서 부모는 자식이 사용하던 자원을 빨리 회수한다.

5.1. 종료 코드

부모 프로세스에게 상태나 종료의 이유를 전달하는 값 (ex: exit(1))
통상 0을 정상 종료로, 나머지 1 ~ 255 범위를 그 외 종료로 사용한다.
main() 함수의 리턴 값이 곧 exit() 함수의 종료 코드 값이다.
- return 4; == exit(4);
- 내부적으로 main()의 return문은 exit() syscall이 실행되도록 컴파일된다.
- OS가 자동적으로 exit() 호출되도록 해 프로그램을 종료시키도록 하게 한다.

종료 코드를 부모가 확인해야 최종적으로 자식 프로세스가 종료된다.

5.2. exit() 통한 프로세스 종료 과정

프로세스의 모든 자원 반환
- 코드, 데이터, 스택, 힙 등 모든 메모리 자원 반환
- 열어 놓은 파일/소켓 등을 닫는다.
PCB에 프로세스 상태를 Terminated로 변경, PCB에 종료 코드 저장
- 아직 PCB가 프로세스 테이블에서 제거된 것이 아님
자식 프로세스들을 init 프로세스에게 입양
부모 프로세스에게 SIGCHLD(일종의 종료 알림 신호) 전송
- 부모의 의무: SIGCHLD 신호 수신하고, wait() 시스템 호출로 자식의 종료 코드 읽어주기
- 죽은 자식이 남긴 정보를 확인해야 자식 프로세스의 PCB가 완전히 제거된다.

부모가 자식의 종료신호를 제 때 확인하지 못할 경우, 자식은 좀비 프로세스가 된다.
PCB가 남아있으므로, ps 명령어 등으로 존재를 확인할 수 있다.

code example for xNIX

  
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t pid, zompid;
    int status;

    pid = fork();
    if (pid > 0) {            // parent's code
        sleep(10);              // sleep for 10 sec
        zompid = wait(&status); // wait for the child
        printf("Parent: child %d has been finished with %d\n", zompid,
                     WEXITSTATUS(status));
        return 0;
    } else if (pid == 0) { // child's code
        printf("Child: I am done %d \n", getpid());
        exit(100); // exit code 100
    } else {
        printf("fork error\n");
        return 0;
    }
}

실행 결과

  
Child: I am done 592 # 문장 출력 후 10초 뒤에 아래 문장이 출력된다.
Parent: child 592 has been finished with 100  

자식 프로세스(PID 592)가 좀비(Status=Z)가 된 모습. 자식까지 모두 종료된 뒤에는 사라진다.

메모리 정리는 이미 모두 되었으므로, 점유하는 메모리 size = 0이다.

좀비 프로세스란, 단순히 PCB 정리가 안된 것 뿐이다.

6. 정리 in xNIX OS

fork() → exec()의 구조
- fork() 통해 프로세스 생성
- exec() 통해 필요한 프로세스 실행
- 부모 프로세스: 생성을 한 프로세스 → wait()으로 대기
- 자식 프로세스: 생성된 프로세스 → exit()으로 종료 알림
모든 프로세스의 조상: init(1번 프로세스)

6.1. fork() → exec() 거치는 이유

프로세스 생성 과정 간소화
프로세스 관리 쉬워짐: 프로세스 계층 구조
- 예시: abort()(부모가 신호 보내서 자식 죽이는 syscall)
프로세스 간 통신(IPC)
- 프로세스는 독자적인 메모리 공간 가진 것처럼 운영
- 서로 간섭/통신 불가, 통신이 필요하면 SIGCHLD 같은 신호 보내기
- 또는 파일을 이용해 서로 의사소통
  - 여기서 fork()가 사용됨
    - 같은 파일 핸들러를 두 프로세스가 공유

  
int fd; // 파일 시스템 변수

foo() {
    fd = open("pile"); // 파일을 연다.
    if(fork() == 0) { // 자식일 경우
        read(fd,...); // 하나의 파일로 서로 의사소통함
    }
    else { // 부모일 경우
        write(fd,...); // 하나의 파일로 서로 의사소통함
    }
}

(사족) 윈도우의 프로세스 생성 과정

CreateProcess() 함수 $ \approx $ fork() + exec()
fork()와 차이점
- fork(): 자식 프로세스가 부모 프로세스의 주소공간 상속밭음
- CreateProcess(): 자식 프로세스에게 구체적으로 어떤 프로그램을 실행할 것인지 요구(주소값이 명확해야 한다.)

code example for Windows

  
#include <stdio.h>
#include <windows.h>

int main() {
    STARTUPINFO si = { 0 };
    PROCESS_INFORMATION pi = { 0 };

    si.cb = sizeof(si);

    if (!CreateProcessA(NULL,
        "C:\\windows\\system32\\notepad.exe",
        NULL, NULL, FALSE, 0, NULL, NULL, &si, &pi)) {
        printf("Error!\n");
        return -1;
    }

    WaitForSingleObject(pi.hProcess, INFINITE);
    printf("Child has been finished\n");

    CloseHandle(pi.hProcess);
    CloseHandle(pi.hThread);

    return 0;
}

실행 결과

(1) 실행 시 메모장이 자동으로 실행된다. 종료하기 전까지는 콘솔에 아무 것도 표시되지 않는다.

(2) 메모장을 닫으면 콘솔에 "Child has been finished\n"가 출력된다.

Computer-Science, OS

OS 프로세스

이 포스팅은 작성자의 CC BY-NC 4.0 라이선스를 준수합니다.

1. 프로세스의 생성

1.1. 프로세스가 생성되는 경우

1.2. 프로세스 생성 과정

1.3. 복사에 의한 프로세스 생성

2. fork() 시스템 콜

2.1. 실행 과정

code example for xNIX

실행 결과

2.2. 장점

2.3. 단점

3. exec() 시스템 콜: Process Overlay

3.1. 실행 과정

메모리

PCB

4. wait() 시스템 콜

code example for xNIX

실행 결과

5. exit() 시스템 콜

5.1. 종료 코드

5.2. exit() 통한 프로세스 종료 과정

code example for xNIX

실행 결과

6. 정리 in xNIX OS

6.1. fork() → exec() 거치는 이유

(사족) 윈도우의 프로세스 생성 과정

code example for Windows

실행 결과

인기 태그