[운영체제] 프로세스 관리

본 게시글은 KOCW 이화여자대학교 반효경 교수님의 <운영체제> 강의를 듣고,
<혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제> 책을 참고하여 정리한 내용입니다.
게시글에 포함되는 이미지 자료는 <운영체제> 강의에 포함된 강의 자료입니다.

프로세스 계층구조

프로세스는 실행 도중 시스템 호출을 통해 다른 프로세스를 생성할 수 있습니다.

이때 새 프로세스를 생성한 프로세스를 부모 프로세스(parent process), 부모 프로세스에 의해 생성된 프로세스를 자식 프로세스(child process)라고 합니다.

부모 프로세스로부터 생성된 자식 프로세스는 실행 과정에서 또 다른 자식 프로세스를 생성할 수 있고, 그 자식 프로세스도 자식 프로세스를 생성할 수 있습니다. 많은 운영체제는 이처럼 프로세스가 프로세스를 낳는 계층적인 구조(= 트리 구조)로써 프로세스들을 관리합니다.

프로세스 생성

먼저 프로세스 생성 과정을 요약부터 하자면, fork와 exec를 통해 새로운 프로세스가 생성됩니다.

부모 프로세스는 fork를 통해 자신의 복사본을 자식 프로세스로 생성해내고, 만들어진 복사본(자식 프로세스)은 exec를 통해 자신의 메모리 공간을 다른 프로그램으로 교체(덮어씌우기)하는 방식으로 새로운 프로세스를 생성합니다.

 

프로세스 생성 과정

1. 프로세스의 주소 공간을 복사해서 자식 프로세스 생성

    - 이때, 부모의 context (메모리 - code, data, stack / CPU - Program Counter, Register) 를 그대로 복사

2. 자식은 그 공간에 새로운 프로그램을 올림

 

유닉스의 예

1. fork() 시스템 콜이 새로운 프로세스를 생성

    - 부모를 그대로 복사 (PID제외한 OS data + binary)

    - 주소 공간 할당

2. exec() 시스템 콜을 통해 새로운 프로그램을 메모리에 올림

fork() 시스템 콜

새로운 프로세스는 fork() 시스템 콜에 의해 생성됩니다.

이때, 시스템 콜을 호출한 프로세스를 새로운 주소공간에 그대로 복사하여 새로운 프로세스를 생성하게 됩니다.

int main() {
    int pid;
    pid = fork(); // fork() 호출 -> 프로세스 생성
    if (pid == 0) /* this is child */
        printf("\n Hello, I am child!\n"); 
    else if (pid > 0) /* this is parent */
        printf("\n Hello, I am parent!\n"); 
}

fork()의 리턴 값(= pid)이 다르기 때문에 자식 프로세스와 부모 프로세스를 구분할 수 있습니다.(부모의 pid > 0, 자식의 pid == 0)

fork() 함수를 실행하게 되면 자식 프로세스를 생성하게 되는데, 자식 프로세스는 부모 프로세스의 context를 그대로 복사하기 때문에 자식 프로세스에서는 fork() 이후의 코드부터 실행됩니다.

exec() 시스템 콜

exec() 시스템 콜은 어떤 프로그램을 완전히 새로운 프로세스로 태어나게 하는 역할을 해줍니다.

int main() {
    int pid; 
    pid = fork(); 
    if (pid == 0) {
        printf("\n Hello, I am child!\n"); /* this is child */
        execlp("/bin/date", "/bin/date", (char *)0); // 새로운 프로그램으로 덮어씌움
        printf("-----"); // 실행되지 않음
    }
    else if (pid > 0) /* this is child */
        printf("\n Hello, I am parent!\n"); 
}

위의 코드에서 excelp()를 만나게 되면 fork()로 생성한 프로세스를 새로운 프로그램으로 덮어씌우게 됩니다.

새로운 프로그램은 시작부분부터 실행되기 때문에 exec() 이후의 코드는 실행되지 않습니다.

wait() 시스템 콜

wait() 시스템 콜은 보통 자식 프로세스를 만든 다음에 호출하게 되는 함수입니다.

프로세스 A가 wait() 시스템 콜을 호출하면, A는 자식 프로세스의 코드가 모두 실행되고 종료될 때까지 blocked 상태가 됩니다. 

자식 프로세스가 종료되면 커널은 프로세스 A를 깨워 A는 blocked 상태에서 ready 상태로 변경됩니다.

int main() {
    int pid; 
    pid = fork(); 
    if (pid == 0) /* this is child */
        printf("\n Hello, I am child!\n"); 
    else
        wait();
}

wait()를 통해 부모와 자식이 동시에 CPU 등 자원을 얻으려고 경쟁하지 않고, 자식이 종료되어야 부모가 실행되도록 할 수 있습니다.

프로세스 종료

프로세스가 마지막 명령을 수행한 후 운영체제에게 exit() 시스템 콜을 통해 알림으로써 프로세스가 종료됩니다.

혹은 부모 프로세스가 자식의 수행을 강제적으로 종료시키는 경우도 있습니다. (abort를 통해)

 

1. 프로세스가 마지막 명령을 수행한 후 운영체제에게 이를 알려주는 경우 (exit)

- 자식이 부모에게 output data를 보냄 (wait 시스템 콜을 통해)

- 프로세스의 각종 자원들이 운영체제에게 반납됨

 

2. 부모 프로세스가 자식의 수행을 종료시키는 경우 (abort)

- 자식이 할당 자원의 한계치를 넘어설 때

- 자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요하지 않을 때

- 부모가 종료(exit)하는 경우

    - 운영체제는 부모 프로세스가 종료하는 경우 자식이 더 이상 수행되도록 두지 않는다.

    - 단계적인 종료

exit() 시스템 콜

exit() 시스템 콜은 프로세스를 종료시킬 때 호출하는 시스템 콜입니다. (자발적 종료)

 

자발적 종료

- 마지막 statement 수행 후 exit() 시스템 콜을 통해

- 프로그램에 명시적으로 적어주지 않아도 main 함수가 리턴되는 위치에 컴파일러가 넣어줌

 

비자발적 종료

- 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제 종료시킴

    - 자식 프로세스가 한계치를 넘어서는 자원 요청

    - 자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요하지 않음

- 키보드로 kill, break 같은 커멘드를 입력할 경우

- 부모가 종료하는 경우

     - 부모 프로세스가 종료하기 전에 자식들이 먼저 종료됨

프로세스 간 협력

원칙적으로 프로세스는 독립적이기 때문에 하나의 프로세스가 다른 프로세스의 수행에 영향을 미치지 못합니다.

하지만 경우에 따라 프로세스끼리 협력(서로 정보를 주고받으며 실행하는 것)을 해야 더 효율적으로 실행되는 경우가 있습니다. 그렇기 때문에 프로세스 간 협력 메커니즘(IPC: Interprocess Communication)이 존재합니다.

프로세스 간 협력 메커니즘 (IPC)

프로세스 간에 정보를 주고 받을 수 있는 방법을 IPC라고 부르며, IPC에는 크게 두 가지(Message Passing, Shared Memory)가 있습니다.

 

IPC

Message Passing

• 커널을 통해 메시지를 전달하는 방법 (OS 커널이 메신저 역햘)
• 프로세스 사이에 공유 변수를 사용하지 않고 통신

1. Direct Communication

통신하려는 프로세스의 이름을 명시적으로 표시

2. InDirect Communication

mailbox(또는 port)를 통해 메시지를 간접적으로 전달

Shared Memory

서로 다른 프로세스끼리 일부 주소 공간을 공유하는 방식으로, 시스템 콜을 통해 운영체제로부터 공유 메모리 공간을 받을 수 있습니다.