OS) Process Management

👀 프로세스 생성 (Process Creation)

• 부모 프로세스(Parent process)가 자식 프로세스(Child process) 생성. 복제 생성 하는 것으로 부모 프로세스의 문맥(코드, 데이터, 스택 등)을 모두 복사한다.
• 복제된 자식 프로세스가 부모 프로세스의 하위 노드로 위치하고 그 자식이 또 자식을 복제하면 또 하위 노드로 위치하고… 를 반복하면서 프로세스의 트리(계층 구조)를 형성한다.
• 프로세스 혼자서 자식을 생성할 수는 없고 시스템 콜을 통해 운영체제의 서비스를 받아야만 자식 생성이 가능하다.
• 프로세스는 자원을 필요로 하기 때문에 운영체제로부터 받거나 부모와 공유한다. 기본적으로는 자식이 복제되는 순간 별도의 프로세스가 되기 때문에 그 순간부터 부모와 자원을 얻기 위해 경쟁하는 관계가 된다.

자원의 공유

• 부모와 자식이 모든 자원을 공유하는 모델
• 일부를 공유하는 모델
• 전혀 공유하지 않는 모델 (일반적)

수행 (Execution)

• 부모와 자식은 공존하며 수행되는 모델
• 자식이 종료(terminate)될 때까지 부모가 기다리는(wait) 모델

주소 공간 (Address space)

• 자식은 부모의 공간을 복사함 (binary and OS data)
• 자식은 그 공간에 새로운 프로그램을 올린다.(덮어씌움)

유닉스의 예

• fork() 시스템 콜이 새로운 프로세스를 생성
  • 부모를 그대로 복사 후 주소 공간 할당
• fork 다음에 이어지는 exec() 시스템 콜을 통해 새로운 프로그램을 메모리에 올림 (덮어씌우는 단계)
• fork와 exec은 독립적으로 이루어지기 때문에 둘 중 하나만 실행될 수 있다.
  
  
  

프로세스 종료 (Process Termination)

• 운영체제는 부모 프로세스가 종료하는 경우 자식이 더 이상 수행되도록 두지 않는다.
• 그래서 단계적인 종료를 통해 모든 자식 프로세스가 먼저 종료된 후 부모가 종료되어야 한다.

System call을 통해 자발적으로 종료되는 경우

• 프로세스가 마지막 명령을 수행한 후 이를 운영체제에게 알려준다.(exit)
• 자식이 부모에게 output data를 보냄 (via wait)
• 프로세스의 각종 자원들이 운영체제에게 반납됨

비자발적으로 종료되는 경우

• 부모 프로세스가 자식 프로세스의 수행을 강제로 종료시킨다.(abort)
• 자식이 할당 자원의 한계치를 넘어선 경우
• 자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요하지 않은 경우
• 부모가 종료(exit)하는 경우
  
  
  

fork() 시스템 콜

int main()
{
    int pid; // 부모와 자식을 구분하기 위한 값
    pid = fork(); // 새로운 자식 프로세스가 생성되면 여기 다음 줄부터 실행한다.(부모의 문맥을 복사하기 때문)
    if (0 == pid)   // this is a child
        printf("\n Hello, I am a child!\n");
    else if (0 < pid)   // this is a parent
        printf("\n Hello, I am a parent!\n");
}

• 자식 프로세스를 생성하기 위한 시스템 콜로 부모와 자식을 구분하기 위해 부모의 pid는 0보다 큰 값을 가지고 자식의 pid는 0을 가진다.
  
  
  

exec() 시스템 콜

int main()
{
    int pid;
    pid = fork();
    if (0 == pid)   // this is a child
    {
        printf("\n Hello, I am a child! Now I'll run date \n");
        execlp("/bin/date", "/bin/date", (char *)0);
    }
    else if (0 < pid)   // this is a parent
        printf("\n Hello, I am a parent!\n");
}

• 어떤 프로그램을 새로운 프로세스로 바꿔주기 때문에 execlp()가 호출되는 순간 이후의 코드들은 실행되지 않는다.
  
  
  

wait() 시스템 콜

int main()
{
    int childPID;
    S1;
    
    childPID = fork();
    
    if (0 == childPID)
        // child 프로세스 코드 실행
    else 
        wait();
        
    S2;
}

• 프로세스 A가 wait() 시스템 콜을 호출하면 커널은 child가 종료될 때까지 프로세스 A를 sleep시킨다.(block 상태)
• 자식 프로세스가 종료되면 커널은 프로세스 A를 깨운다.(ready 상태)
  
  
  

exit() 시스템 콜

프로세스의 자발적 종료

• 마지막 statement 수행 후 exit() 시스템 콜을 통해 종료
• 프로그램에 명시적으로 적어주지 않아도 main 함수가 리턴되는 위치에 컴파일러가 넣어줌

프로세스의 비자발적 종료

• 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제 종료시킴
  • 자식 프로세스가 한계치를 넘어서는 자원 요청시
  • 자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요하지 않을 때
• 키보드로 kill, break등을 친 경우
• 부모가 종료하는 경우 부모 프로세스가 종료되기 전 자식 프로세스들이 먼저 종료된다.
  
  
  

프로세스 간 협력

독립적 프로세스 (Independent process)

• 프로세스는 각자의 주소 공간을 가지고 수행되므로 원칙적으로 하나의 프로세스는 다른 프로세스의 수행에 영향을 미치지 못한다.

협력 프로세스 (Cooperating process)

• 프로세스 협력 메커니즘을 통해 하나의 프로세스가 다른 프로세스의 수행에 영향을 미칠 수 있다.

프로세스 간 협력 메커니즘 (IPC: Interprocess Communication)

🔸 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 메커니즘이 있음
• 물리적 메모리에 매핑할 때 일부 주소공간을 공유하도록 매핑한다.(사전에 시스템 콜을 통해 운영체제에게 보고되어야 한다)

🔸 thread

• thread는 사실상 하나의 프로세스이므로 프로세스 간 협력으로 보기는 어렵지만 동일한 프로세스를 구성하는 스레드들 간에는 주소 공간을 공유하기 때문에 협력이 가능하다.
  
  
  

Message Passing

• 사용자 프로그램끼리는 메시지를 주고받는 것이 불가능하기 때문에 운영체제 커널을 통해서 메시지를 주고받는다.

Message system

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

Direct Communication

• 통신하려는 프로세스의 이름을 명시적으로 표시해서 메시지를 주고받는 것

Indirect Communication

• mailbox(또는 port)를 통해 메시지를 간접 전달하는 방식
  
  
  

출처

• 운영체제 - 이화여자대학교 KOCW 공개강의