이화여자대학교 컴퓨터공학과 반효경 교수님의 "운영체제 (KOCW)" 강의를 필기한 내용입니다.

다소 잘못된 내용과 구어적 표현 이 포함되어 있을 수 있습니다.

Process Lifecycle §

Process Creation §

• 프로세스는 (Init process 가 아니라면)부모프로세스가 반드시 존재하고, 부모 프로세스를 복제하는 방식으로 자식 프로세스가 생성된다
  • 뭐 init process 는 알다시피 sysvinit 이나 systemd 등이 있겠제
  • 따라서 프로세스는 init process 를 루트로 하는 트리형식의 계층 구조를 형성하게 된다
  • 이렇게 자식을 복제하는 것은 fork() 시스템 콜을 이용해 수행할 수 있다
  • 프로세스 생성이 시스템 콜인 이유는 사용자 프로세스가 직접 하기에는 어려운 작업이고 아마 보안상의 문제도 껴있을거다
• 자식 프로세스도 당연히 프로세스니까 자원을 할당받을텐데 여기에는 몇가지 정책(모델) 이 존재한다
  1. 자원을 부모와 공유하여 운영체제로부터 받지 않는 모델
  2. 자원을 부모와 일부만 공유하고 나머지는 운영체제로부터 할당받는 모델
  3. 부모와 공유하지 않고 전부 운영체제로부터 할당받는 모델
  • 생각해보면 자식 프로세스는 부모 프로세스와 독립적인 프로세스이기 때문에 자원을 공유하지 않고 운영체제로부터 할당받는게 맞는 거 같지만
  • UNIX 같은 경우에는 효율성을 위해 일단 부모와 공유하는 방식을 사용한다
    • 뭔소리냐면
    • fork() 과정에서 부모꺼를 복제한다고 했자네
    • 근데 자원을 복제하면 결국에는 똑같은게 두개가 생길거 아님 → 뭐 프로세스의 Data, Code, Stack 같은게 똑같은게 두개가 생기게 될거아님
    • 이게 좀 낭비같은거야
    • 그래서 UNIX 에서는 일단 자원을 복사하지 않고 공유하고 있다가 부모랑 달라지면 그때 복사를 하는 방식을 이용한다
    • 즉 Lazy copy 라고 말할 수 있는거임 → 이걸 Copy-On-Write (COW) 라고 표현한다
• 복제하는 과정을 좀 더 자세히 살펴보면
  1. 일단 fork() 가 불려지면 운영체제는 PID 를 제외한 부모의 모든 것(뭐 PCB나 바이너리 같은것들 → 앞에서 배운 Process context 에서 PID 만 뺀거라고 생각해도 된다)을 복사한다
  2. 그리고 자식 프로세스에게 새로운 주속 공간을 할당한다
• 하지만 fork() 만 존재한다면 모든 프로세스가 부모랑 같은 작업만 할거 아니냐 → 그래서 (일반적으로는) fork() 이후에 exec() 이라는 시스템 콜이 사용된다
  • exec() 은 기존에 존재하던 프로세스에 새로운 프로그램을 덮어 씌우는 시스템 콜인데
  • 일반적으로 fork() 이후에 exec() 시스템 콜이 호출되는 식으로 프로그램이 프로세스로 변환된다
  • 따라서 프로세스의 생성은 fork → exec 이 두가지 단계를 거친다고 할 수 있다
  • 물론 저 두 단계는 독립적이어서 fork() 만 해서 부모를 복사하기만 할 수도 있다

Process Execution §

• 자식 프로세스가 생성되었을 때 부모가 취할 수 있는 동작은 두가지가 있는데
  1. 그냥 별개의 프로세스로써 자식이랑 같이 공존하며 실행되거나
  2. 자식 프로세스가 종료되어야 진행이 가능한 경우에는 block 을 먹어서 자식이 종료될때까지 기다릴 수도 있다 (wait() 시스템 콜)

Process Termination §

• 프로세스가 자발적으로 종료될 때에는 일단 exit() 시스템 콜을 이용한다
  • 프로그래밍 언어에서 지원하는 라이브러리(뭐 예를 들면 go 의 os 같은 거) 를 통해 exit() 시스템 콜을 호출할 수도 있고
  • 아니면 프로그램 코드가 종료되면 (뭐 마지막 중괄호가 닫히는 등의 main() 함수가 리턴되는 시점) exit() 시스템 콜이 작동되도록 컴파일러가 넣어주는 등의 방법 등
  • 여러가지의 방법이 있지만 어쨋든 자발적으로 프로세스가 종료될때는 exit() 시스템 콜이 무조건 호출된다
  • exit() 이 호출된 다음에는 자식이 부모에게 output data 를 보내게 되고
  • 프로세스의 각종 자원들이 운영체제한테 반납된다
• 그럼 자발적이지 않은 경우는 무엇이냐 → 부모 프로세스가 자식의 수행을 종료시키는 경우가 존재한다
  • 뭐 자식이 너무 많은 자원을 먹어서 한계치를 넘어선 경우랄지
  • 자식이 하고 있는 작업이 불필요해진 경우랄지
  • 부모가 종료된 경우랄지
    • 운영체제는 (init process 가 아닌 이상) 부모가 없는 프로세스가 존재하도록 하지 않는다
    • 따라서 부모가 종료될때는 자식을 전부 종료시킨 후에 종료되도록 하는데
    • 자식한테 또 자식이 있을 경우에는 또 그 자식이 종료되는 절차를 밟을 거 아님
    • 그래서 부모가 종료될때는 자식을도 단계적으로 종료되게 된다

Process Syscall §

Fork §

• 이제 이건 fork() 시스템 콜에 대한 C 언어 코드 예제인데
• 일단 흔히 나올 수 있는 질문 중 하나는 부모 코드에 fork() 가 있는데 부모 코드를 그대로 복제하면 자식 코드에도 fork() 가 있을 것이고 그럼 자식도 fork() 를 해서 자식이 무한대로 생성되는거 아니냐 인데
  • 아니다
  • 앞서 fork() 를 할 때에는 Process context 전체를 복사한다고 했자네
  • 따라서 PC 값도 복사가 되기 때문에 자식 프로세스는 프로그램의 맨 처음부터 실행하는 것이 아니라 fork() 가 호출된 바로 다음 시점부터 실행된다
• 그럼 PC 값이 복사된다면 부모와 자식은 같은 Physical memory address 의 instruction 을 실행하게 될까
  • 그것도 아니다
  • 왜냐면 PC 에 들어가는 값은 Virtual memory address 이기 때문에 PC 값이 같긴 하지만 실제로 참조하는 Address space 는 다르고 따라서 다른 Physical memory address 를 참조하게 된다
  • Physical memory address 에 대해서 CPU 는 알지 못한다 → CPU 가 사용하는 주소는 전부 Logical (뭐 Virtual address랑 거의 같다고 재철소장님이 그랬으니까) 이고 이걸 Physical address 로 바꾸는 건 CPU 가 아니라 Memory Management Module 이 BASE 랑 LIMIT 레지스터 값을 이용해 수행한다
  • 참고
    • Difference between program counter in the executable and program counter in the main memory
    • Does the program counter generate the virtual address or a physical address in a cpu?
• 부모와 자식이 코드가 동일하다면 어떻게 다른 작업을 하도록 할 수 있을 까?
  • C 언어에 구현되어 있는 fork() 함수는 호출했을 때에 PID 값을 반환하도록 되어 있는데
  • 생각해보면 호출된 이후에는 부모와 자식 이렇게 프로세스가 두개가 생기므로 fork() 함수는 각 프로세스에게 두번 PID 값을 반환한다고 생각할 수 있다
  • 근데 이때 부모 프로세스에게는 양수 정수값을 반환하는 방식으로 생성된 자식 프로세스의 PID 값을 반환해주고
  • 자식 프로세스에게는 0을 반환해준다
  • 이걸 이용해서 하나의 코드로 부모와 자식에게 다른 일을 시킬 수 있다

Exec §

• exec() 시스템 콜은 위에서 말한 것처럼 새로운 프로그램으로 현재 프로세스를 덮어씌우는 것을 수행한다
• 그래서 C 언어에서는 이 시스템 콜을 위해 execlp() 라는 함수를 제공해주는데
• 뭐 문법은 위에 사진 보던가 너가 찾아봐라
  • 3번째 인자부터 해당 프로그램의 Args 들이 들어가는데
  • 마지막 인자는 null string 을 넣어서 닫아줘야 한다네
• 중요한건 exec() 시스템 콜을 호출하고 나면 새로운 프로그램이기 때문에 main() 함수의 맨 첫번째 줄부터 실행하게 된다
  • 어찌보면 당연한 얘기지 → 프로그램이 새로 프로세스가 됐는데 당연히 Process context 는 없는게 맞지
• 다음은 exec() 을 실행하고 난 뒤에는 원래의 프로그램으로 되돌아오지는 못한다는 거다
  • 이것도 당연한 얘기다 → 기존의 프로세스가 새로운 프로그램으로 덮어씌워졌으니까 원래꺼는 없어지고 되돌아오지도 못하는게 인지상정
• 마지막으로는 fork() 와 exec() 은 별개의 시스템 콜이기 때문에 fork() 없이도 exec() 을 호출하는게 가능하다는 거다
  • 따라서 이때에는 자식이 생기는 방식이 아니라 그냥 나 자신이 새로 태어나게 된다

Wait §

• wait() 은 별거 없다
• 그냥 부모가 자식 끝날때까지 block 되어 기다리게 하는 시스템 콜이 wait() 이다
  • 그래서 wait() 이 호출되면 커널은 해당 프로세스를 block 시켰다가
  • 해당 프로세스의 자식 프로세스가 모두 종료되면 다시 ready 로 바꾼다
• 위 그림은 그냥 예제고 → 읽어보면 걍 별거 없다
• wait() 을 이용한다고 할 수 있는 프로그램이 Shell 프로그램이다
  • 결국에는 쉘의 경우에도 입력한 프로그램을 시키는 것이기 때문에 해당 프로그램을 자식 프로세스호 실행시키고 wait 하다가 끝나면 다시 커서를 깜빡이게 하는 방식으로 활용한다.

Inter Process Conmunication (IPC) §

• Independent Process: 프로세스는 기본적으로 각자 독립적으로 작동하고 다른 프로세스에 영향을 끼지지 않는다 (뭐 부모 - 자식 관계는 예외)
• Cooperating Process: IPC 를 이용하면 다른 프로세스의 수행에 영향을 끼칠 수 있다

Message Passing §

• IPC 의 분류중에 Message Passing 은 일단 커널을 브로커로 해서 메시지를 전달하는 방법 (Message System)이다
  • 따라서 공유 메모리나 공유 변수 등을 사용하지 않는다
• 뭐 인터페이스가 두가지 종류가 있다네
  1. Direct Communication
     • 얘는 수신 프로세스를 명확하게 명시하는 방식이랜다
  2. Indirect Communication
     • 그리고 얘는 수신 프로세스를 명시하지 않고 메일박스(?) 나 포트번호 등을 이용해서 메시지를 간접적으로 전달하는 방식이라네

Shared Memory §

• 얘는 말 그대로 공유 메모리를 커널로부터 할당받아서 두 프로세스가 메모리에 존재하는 데이터를 공유하는 방법이다
• 얘도 당연히 커널의 힘을 빌려야 하긴 하지만 Message Passing 의 경우에는 매번 커널에 의존하지만 얘는 공유 메모리를 처음 매핑할때만 커널에 의존한다는 차이점 정도가 존재한다

Thread §

• 뭐 쓰레드는 프로세스가 아니기 때문에 IPC 라고 하기에는 좀 뭐하지만
• Thread 끼리는 메모리를 공유하기 때문에 통신이 아주 간편맨하댄다