[OS] 프로세스의 계층 구조와 종류

1. init: 모든 프로세스의 조상

유닉스의 모든 프로세스는 init 프로세스의 자식이 되어 트리 구조를 이룬다.

• Windows는 이렇게까진 아니지만 거의 비슷함

부모-자식 프로세스 관계를 운영체제별로 확인해보자.

예시: 리눅스의 프로세스 목록

• pstree -p 명령어로 확인 가능

리눅스에서의 프로세스 목록

예시: 윈도우의 프로세스 목록

• Process Explorer 프로그램을 통해 확인 가능

윈도우에서의 프로세스 목록

2. 계층 구조

• 프로세스는 일반적으로 부모-자식 관계이다.
• #0 프로세스: 시스템 부팅 시 실행되되는 최초의 프로세스, 조상 프로세스
• 모든 프로세스는 부모 프로세스를 가진다. (#0 프로세스 제외)

2.1. 자식 프로세스의 생성

• 모든 프로세스는 프로세스(부모)에 의해 생성된다.
  • 프로세스 생성은 syscall(fork())을 통해서만 가능

2.2. 프로세스의 hand-craft 생성

• PID가 0, 1, 2 등의 몇몇 조상 프로세스는 syscall로 생성되는 것이 아님
• 부팅 시 OS 차원에서 수작업(hand-craft)으로 생성된다.

2.3. 왜 계층 구조인가?: fork() - exec()

• 여러 작업을 처리하기에 용이함
• 프로세스의 재사용이 용이함
• 관리가 용이함
  • 프로세스 간 책임 관계 분명해짐 → 자원 회수 등이 쉬워진다.

3. 부모 - 자식 간 실행 관계

• 부모가 자식을 생성한 후 자식의 종료를 기다리는 정상적인 경우

• 부모가 자식의 종료를 제 때 못 받아주는 경우

자식 프로세스는 좀비 프로세스가 된다.

3.1. 좀비 프로세스

좀비 프로세스는 비록 메모리를 차지하지는 않지만 PCB의 낭비가 발생한다.

• 커널 입장: PCB 유지하면서 얼마간의 자원을 소모하는 프로세스
  • 커널이 유지할 수 있는 PCB 테이블 크기에 제한이 있다.
  • 많은 좀비 프로세스가 발생할 경우, 시스템 성능에 영향이 있다.
    • ex: 프로세스 스케줄링을 위한 확인
• 시스템 모니터링 시 기분이 나빠지는 심리적인 효과까지(…)

3.1.1. 좀비 프로세스의 제거

1. 부모 프로세스에게 SIGCHLD 신호 보내기
   • 부모 프로세스에서 wait()을 호출하여 처리한다.
   • 만약 부모에게 SIGCHLD 핸들러가 없는 경우 좀비는 제거되지 못한다.
2. 부모 프로세스 강제 종료 → 좀비를 고아(Orphan)화 하기
   • 좀비는 init 프로세스의 자식이 됨
   • init이 wait() 호출, 좀비 프로세스가 제거된다.

3.2. 고아 프로세스(Orphan Process)

• 부모가 먼저 종료한 자식 프로세스

부모 프로세스가 종료될 때 일반적으로 아래의 과정을 거친다.

1. 커널(exit() 호출 코드)은 자식 프로세스가 있는지 확인한다.
2. 만약 자식 있으면, 자식 프로세스(고아)를 init 프로세스에게 입양시킨다.
   • PPID가 1로 변경된다.
   • (운영체제에 따라, 모든 자식 프로세스를 강제 종료 시키기도 한다.)

3.3. 부모/자식 프로세스 ID의 확인

examples for xNIX OS

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

int main() {
    pid_t pid, ppid;

    pid = getpid();   // get a PID
    ppid = getppid(); // get a Parent's PID

    printf("Process ID = %d, Parent's ID = %d\n", pid, ppid);
}

실행 결과

Process ID = 228, Parent's ID = 1

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examples for Windows OS

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
#include <tlhelp32.h>

int main()
{
    int pid = GetCurrentProcessId();

    HANDLE h = CreateToolhelp32Snapshot(TH32CS_SNAPPROCESS, 0);
    PROCESSENTRY32 pe = { 0 };
    pe.dwSize = sizeof(PROCESSENTRY32);

    if (Process32First(h, &pe)) {
        do {
            if (pe.th32ProcessID == pid) {
                printf("Process ID = %d, Parent's ID = %d\n",
                    pid, pe.th32ParentProcessID);
            }
        } while (Process32Next(h, &pe));
    }
    CloseHandle(h);
}

실행 결과

Process ID = 22960, Parent's ID = 31780

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4. 프로세스의 종류

4.1. 백그라운드 vs 포그라운드

4.1.1. Background Process

• 터미널에서 실행되었지만, 터미널 사용자와의 대화가 없는 채 실행되는 프로세스
• 사용자와 대화 없이 실행되는 프로세스
• 사용자 입력을 필요로 하지 않는 프로세스
• idle 상태로 잠을 자는 프로세스
• 디스크에 swap된 상태의 프로세스

4.1.2. Foreground Process

• 실행되는 동안 터미널 사용자의 입력을 독점하는 프로세스

4.2. CPU 집중 vs I/O 집중

4.2.1. CPU Intensive Process

• 대부분의 시간을 계산 중심의 작업(CPU 작업)을 하느라 보내는 프로세스
  • 예시
    • 배열 곱
    • 인공지능 연산
    • 이미지 처리 등
• CPU 속도가 성능 좌우 (CPU bound)

4.2.2. I/O Intensive Process

• 대부분의 시간을 입출력 작업(I/O 작업)을 하느라 보내는 프로세스
  • 예시
    • 네트워크 전송
    • 파일 입출력에 집중된 프로세스
    • 파일 서버
    • 웹 서버 등
• 입출력 장치/시스템의 속도가 성능 좌우 (I/O bound)