Process

Program vs Process

  • Process : 실행중인 프로그램
  • Program : 실행 가능한 파일
  • Process는 메모리에 올라가 있는 상태의 프로그램을 의미한다.

C언어 Program to Process

  • C언어로 구성된 프로그램은 전처리 - 컴파일 - 링킹 - 로딩의 과정을 거친다.
    • 전처리 : # 으로 시작하는 라인들을 알맞은 형태로 치환한다.
    • 컴파일 : C언어(high-level language)를 어셈블리어(기계어) 로 변환한다.
    • 링킹 : 외부의 ELF(Executable and Linkable Format) 파일들을 호출할 수 있도록 연결한다.
    • 로딩 : 최종 생성된 파일을 실행시켜 메모리에 올려 프로세스로 만든다.
      • 리눅스에서는 execv() 함수에 의해 프로세스화 된다.

프로세스

fork

  • fork() 함수는 프로세스를 복사하는 함수이다.
    • unistd.h 헤더에 선언되어 있다.
    • 복사당한 프로세스를 부모 프로세스, 복사해서 생성된 프로세스를 자식 프로세스라 한다.
    • 복사된 자식 프로세스도 fork 실행 이후부터 코드가 진행된다.
  • fork 함수의 반환값은 pid_t 타입이다.
    • 반환값이 -1이라면 실패를 의미한다.
    • 결과가 0이라면 현재 프로세스는 자식 프로세스임을 의미한다.
    • 0이 아니닌 값이라면 현재 프로세스는 부모 프로세스이다.
      • 반환값은 자식프로세스의 process id를 의미하며, 리눅스 명령어 ps -ef 로 pid를 확인 할 수 있다.
  • Race Condition : 일단 fork가 되어 프로세스가 부모 자식으로 나뉘면, 프로세스의 실행은 병렬적으로 이루어지며, 같은 코드라도 어느 것이 먼저 동작할지 알 수 없다.

wait

  • fork() 로 자식 프로세스를 생성한 후 자식 프로세스가 exit()를 호출하여 종료될 때, 부모 process는 자식 process의 종료 결과를 wait() 으로 받을수 있다.
  • wait(statloc *status) : 자식 process에서 호출된 exit() 함수 안에 들어간 인자값을 status(인자는 4byte int지만, 사용하는 부분은 2byte) 에 담아낸다.
  • status 값은 상위 1byte와 하위 1byte를 구분해서 사용한다.
    • 정상적으로 종료가 된경우는 exit() 함수에 의한 종료를 의미하며, status의 상위 1byte에 exit의 인자값을 담아낸다.
    • 비정상 종료는 signal에 의한 종료를 의미하며, signal 번호 값을 status의 하위 1byte에 담아낸다.
    • 0~7번 bit : 자식 process 정상종료시 종료 status
    • 8번 bit : core dump 여부
    • 9~15번 bit : 시그널 번호
    • status값을 인자로 받아 종료 사유를 회신하는 매크로 함수를 사용하면 쉽게 판단할 수 있다.
      • WIFEXITED, WEXITEDSTATUS, WIFSIGNALED …

메모리

  • 부모 프로세스를 복사해 자식 프로세스를 생성해도 code 영역은 공유된다.
    • code 영역은 read only memory 이기 때문에
  • 자식 프로세스는 부모 프로세스의 ram 영역 값도그대로 복사 해 온다.
    • 하지만, 자식 프로세스가 새성될 당시 메모리가 바로 복사되는 것이 아니라, 메모리에 값을 작성하는 시점에 복사가 된다.
    • 즉, 부모나 자식 프로세스에서 값을 덮어쓰거나 새로 생성하지 않은 변수에 대해서는 같은 메모리를 바라보고 있다고 볼 수 있다.
  • 메모리는 reference count를 들고 있어 몇개의 프로세스에서 해당 영역을 참조하는지 체크한다.

프로세스 생명 주기 (Life Cycle)

  • 모든 프로세스는 부모 프로세스가 있고, 가장 최초로 실행된 프로세스를 init 프로세스라 하며, init 프로세스의 pid는 1이다.

  • 생성된 프로세스는 exit() 함수를 호출하면 종료된다. (일반적으로 main 함수의 리턴값이 exit을 호출하도록 되어있다.)

  • exit은 라이브러리로 버퍼를 flush하고, open된 모든 파일을 close하고, 프로세스가 사용하고 있는 메모리 풀을 반환한다. 그후 _exit 을 호출하여 프로세스를 종료시킨다.

  • 하지만, exit만 호출되었다고 해서 프로세스가 완벽하게 종료되는 것이 아니다. exit을 호출하면 부모 프로세스에서 상태코드(exit의 인자값)를 받아가기를 대기한다. 메모리의 반환 작업은 부모 프로세스의 처리가 끝나야 이루어진다.

    • exit의 결과값을 처리하는 함수는 wait 이다. 부모 프로세스에서 wait을 실행하면 그제서야 자식 프로세스는 메모리를 정리하고 완벽하게 종료된다.
    • (커널 레벨에서 자식은 부모를, 부모는 자식들의 포인터를 갖고 있어 서로 참조할 수 있도록 연결되어 있다.)

좀비 프로세스

  • 부모 프로세스에서 wait를 호출하지 않아 자식 프로세스를 정리해 주지 않으면 좀비 프로세스가 생성된다.
  • 좀비 프로세스는 사용하지 않는 메모리 및 리소스들을 차지하고 있어서 다른 프로세스들의 성능을 저하시킨다.

고아 프로세스

  • 자식 프로세스보다 부모 프로세스가 먼저 종료되는 경우, 그 자식 프로세스들은 고아 프로세스가 된다.
  • 고아 프로세스들은 종료 처리를 해줄 부모 프로세스가 없기 때문에 좀비 프로세스가 될 수 있는데, 이를 막기 위해 커널은 고아 프로세스를 주기적으로 찾아 ‘init’ 프로세스의 자식으로 재설정한다.

signal

  • wait() 함수를 호출하면 부모 프로세스는 자식 프로세스가 exit를 호출하기를 기다린다.

  • 이렇게 되면, 부모 프로세스는 다른 동작을 수행하지 못하여 concurrent한 동작 수행이 불가능하다.

  • 부모가 자기 할 일을 수행하다 자식이 종료될 떄 종료 처리를 해 주도록 하려면 signal 기능을 사용하면 된다.

    • 자식 프로세스에서 exit를 호출하면 내부적으로 부모 프로세스에 SIGCHLD(sig child) 시그널을 보내도록 되어 있다.
    • 부모 프로세스에서는 signal(SIGCHLD, my_function) 형태로 SIGCHLD 시그널의 처리를 my_function 으로 받아서 처리하도록 하고, myfunction 안에서 wait을 호출하면 된다.
    signal(SIGCHLD, my_function);
...
fork()
...
my_function() { wait(0); }

  • 단, 자식 프로세스가 여러개인 경우, 동시에 종료되는 자식 프로세스들에 대해서는 단순 signal 로 처리가 불가능하다.

    • signal이 호출되어 my_function이 돌고 있는 도중에 다음 signal이 호출되면, my_function 함수가 또 호출되지 않는다. 해당 signal은 무시되는 것이다.

    • 하지만, signal은 무시되더라도 ‘부모 프로세스가 처리해야할 목록’ 에는 추가되기 때문에, wait()를 반복한다면 동시에 종료된 자식 프로세스들도 처리할 수있다.

    • 또한 wait 대신 waitpid 를 사용하여 timeout을 짧게 가져가는 식으로 부모 프로세스의 concurrency도 보장할 수 있다. (WNOHANG 옵션으로 더이상 처리할 내용이 없으면 기다리지 않도록 할 수 있음)

      my_function() { while ( waitpid(-1, 0, WNOHANG) > 0 ); }

    • 하지만, SIGCHLD 시그널은, 자식 프로세스가 종료 되었을 때 뿐 아니라, 정지되었을 때도 호출된다. signal 설정 옵션으로 자식 프로세스가 종료되었을 때 날아오는 SIGCHLD 는 처리하지 않도록 설정해야 완벽하다.

      • signal의 상위호환인 sigaction 함수를 사용하면 flag를 설정하여 처리 가능하다.

Init Process

  • init 프로세스는 고아 프로세스들을 모아서 종료시켜준다.
    • init 프로세스는 socketpair() 을 사용하여 3번4번 entry에 socket을 하나씩 연다. 3번 socket은 4번 socket으로 pipeline이 연결되어 있다.
    • signal handler가 프로세스에서 고아 프로세스를 감지하면 3번 entry의 socket으로 데이터를 write 하면, init 프로세스의 4번 socket에서 데이터가 튀어나온다.
    • 4번 socket에서 데이터를 받은 init 프로세스는 받은 데이터를 기반으로 고아 프로세스를 처리한다.
  • 이런 식으로 구조를 짜면, 커널에서 직접 프로세스를 처리하지 않고, init process가 프로세스 처리를 하도록 할 수 있다.
| signal handler | ---write()------↴  ↷ 
                     |[0] [1] [2]  [3]  [4]|
                     | init process     ↙  |
                     |             wait()  |
                     |                     | 
                     |                     |                       
                     |                     |

exec 함수

system() 이라는 라이브러리 함수로 커널 명령을 실행할 수 있다. 내부적으로 exec 함수들을 사용한다.

  • exec뒤에 붙은 글자에 따라 인자로 받는 데이터의 형태나 종류가 달라지며, 여러 속성들을 합해서 사용 가능하다.
  • exec함수들은 execve 를 제외하고는 모두 라이브러리이며, 최종적으로 execve를 호출한다.

  1. l : 리스트 형태의 인자를 받아 명령어 호출시 전달

    • ex) execl("ls", "-l")

  2. v : 벡터 형태의 인자를 받아 명령어 호출시 전달

    • ex)
      char* cmd[] = {"/bin/ls", "ls", "-l", null}; // 파일 위치, 프로세스 이름, argument
excecv(cmd);

  3. e : 환경변수를 인자를 받아 명령어 호출시 전달

    • ex)
      char* env[] = {"name=justin", "age=20", null}; 
excece(cmd);
    • ex) v와e를 혼합해서 사용 가능
      char* cmd[] = {"/bin/ls", "ls", "-l", null}; // 파일 위치, 프로세스 이름, argument
char* env[] = {"name=justin", "age=20", null}; 
excecve(cmd, env);
    • c에서 main 함수는 int main(int argc, char** argv, char** envp) 형태이다.
      • argc: 인자의 갯수
      • argv: 인자의 배열
      • envp: 환경변수의 배열

  4. p : 환경변수 path를 참조하여 명령어 실행

    • exec 파일들은 기본적으로 path를 참조하지 않고 실행되어 명령어 파일의 절대경로를 인자로 넣어야 한다.
    • p옵션이 붙은 함수를 사용하면 환경변수 path를 사용하여 명령어를 실행할 수 있다.
    • ex) execlp("ls", "ls", "-l", null)

쉘을 이용한 옵션처리

  • execlp(command, command, null); 형태로 실행하지 않고, execl("/bin/sh", "sh", "-c", command, null); 형태로 실행하면 ‘command’ 명령을 쉘이 실행하게 되어 옵션을 알아서 처리해 준다.

exec로 생성한 프로세스의 속성

  1. 상속되는 속성
  • 파일 디스크립터
  • 사용자 ID, 그룹 ID, 프로세스 그룹 ID, 세션 ID, 제어 터미널
  • alarm 시그널 남은 설정시간
  • 작업 디렉터리, root 디렉터리
  • 파일 잠금 여부, 파일 생성 마스크
  • 자원 제약, CPU 사용시간
  1. 상속되지 않는 속성
  • signal의 처리는 SIG_IGN 처리되던 시그널 외에는 default로 복구된다.
  • 유효 사용자 ID (파일 속성에서 set_user_ID 비트가 설정된 경우)
  • 유효 그룹 ID (set_group_id 비트가 설정된 경우)

reference count

  • exec를 사용하여 프로세스를 호출하면, 그 아래 line들은 실행이 되지 않는다.
    • 프로세스는 코드 영역 메모리를 참조하고, 메모리는 reference count를 두어 몇개의 프로세스가 해당 메모리를 참조하는지 체크한다.
    • 이때, exec를 사용하면 기존 프로세스는 code 영역을 내버려두고 exec에서 사용할 새로운 코드영역을 참조하게 된다. (+program counter 이동)
    • 그렇게 되면 기존에 남아있던 코드 영역 메모리는 reference count가 0이되어 더이상 사용하지 않는 메모리로 취급되어 free된다.

-> fork와 exec를 함께 사용하면 exec 아래의 코드도 실행할 수 있게 할 수 있다.

...
pid = fork()
if (pid)
  exec(...);
wait(0);
something_to_do(); // 부모 process에서 실행 가능
...

프로세스 그룹

  • 하나 이상의 프로세스들의 집합을 프로세스 그룹이라 한다.
  • 일관된 작업을 하는 프로세스들을 그룹으로 묶어서 관리하며, 이 그룹은 고유한 ‘프로세스 그룹 ID’ 를 갖는다.
  • 프로세스 그룹에는 ‘프로세스 그룹 리더’ 가존재한다. 리더는 프로세스 그룹 ID와 동일한 값을 프로세스 ID로 가진 프로세스이다.
  • 리더는 그룹 및 그룹내의 프로세스의 생성/종료 권한을 가진다.
  • 리더가 종료되거나 그룹을 떠나면 해당 프로세스 그룹 내의 다른 프로세스가 리더 권한을 위임받는다.
  • 그룹 내의 마지막 프로세스가 그룹을 떠나면 해당 그룹은 사라진다.
  • pipe 명령으로 묶어서 한번에 실행한 명령들은 같은 프로세스 그룹에 묶인다.

그룹 제어 함수 getpgrp, setpgid

  1. getpgrp
  • 호출한 프로세스가 속한 프로세스 그룹 ID를 리턴하는 함수
  1. setpgrid(PROCESS_ID, PROCESS_GROUP_ID)
  • 새로운 프로세스 그룹을 생성하거나, 선택한 프로세스를 특정 그룹에 합류시키는 함수
  • PROCESS_ID 와 PROCESS_GROUP_ID를 동일한 수를 넣어주면, 해당 프로세스를 리더로 승격시킨다.
  • 자기 자신이나 자식 프로세스의 그룹ID만 변경 가능하며, exec를 수행한 자식 프로세스의 그룹ID는 접근할 수 없다.

세션

  • 일반적으로 같은 터미널에서 수행되고 있는 프로세스 그룹들을 모은 집합을 session이라 한다.
  • 세션, 프로세스 그룹, 프로세스 간 연관관계는 프로세스 ⊂ 프로세스 그룹 ⊂ 세션 형태이다.
  • 세션도 unique한 번호를 가지며 이를 세션ID라 한다.
  • 세션ID와 동일한 프로세스ID를 가진 프로세스를 세션 리더라 한다.
  • 한 세션의 프로세스들은 하나의 foreground 프로세스와 다수의 background 프로세스로 이루어져 있다. foreground 프로세스는 현재 키보드 input을 받을 수 있는 유일한 프로세스이다.

세션 제어 함수 setsid

  • 새로운 세션을 생성하여 특정 프로세스를 해당 세션으로 이동하는 함수이다.
  • 호출한 프로세스가 프로세스 그룹 리더가 아닌 경우에만 실행 가능하다.
    • 프로세스 그룹에 프로세스가 하나밖에 없더라도, fork로 생성된 자식 프로세스는 그룹 리더가 아니기 때문에 setsid를 호출할 수 있다.
  • 새로운 세션이 생성되면, 프로세스 그룹도 신규로 생성하고, 그 안에 프로세스를 이동시킨다. 이동된 프로세스는 세션 리더이자 프로세스 리더가 된다.
  • setsid 명령은 제어 터미널을 갖지 않기 때문에 기존에 연결되어있던 터미널과의 연결이 끊기게 된다.

제어 터미널

  • 하나의 세션은 하나의 제어 터미널을 가질 수 있다.

    • 프로세스에서 가상 터미널은 ‘pts’, 실제 터미널은 ’tty’ 라 표시된다.

  • 세션 리더는 제어 터미널과의 연결을 관할한다.

  • tcgetpgrp : foreground 프로세스 그룹ID를 반환한다.

  • tcsetpgrp : 제어터미널을 갖고 있는 경우, 특정 프로세스 그룹을 전위 프로세스 그룹으로 설정한다.

  • stty -a 명령으로 확인시 작업제어를 위한 시그널이 설정되어 있음을 확인할 수 있다.

Daemon Process

  • 제어 터미널 없이 주기적으로 주어진 일을 처리하거나, 특정 이벤트를 대기하기 위해 background에서 돌고있는 프로세스
  • 보통 시스템이 부팅될 때 시작되며, shutdown 될 때 종료된다.
  • 다른 프로세스가 발생한 시그널에 간섭받지 않아야 한다.
  • 데몬 프로세스는 터미널과 연결이 되어있지 않기 때문에 터미널로 입력/출력을 할 수 없다.
    • 출력은 printf 대신 syslog 를 사용하여 시스템 로그로 출력을 하도록 해야한다.

Daemon 구현 방법

  1. fork()로 child process를 생성하고 parent process를 종료한다.
  2. child process에서 setsid() 함수로 새로운 세션을 생성한다.
  • background로 실행 가능하며, 터미널에 영향을 받지 않게됨
  1. 열려진 모든 file descriptor를 닫는다.
  • 1~64까지 index를 순회하며 close() 로 file descriptor를 모두 닫는다.
  1. 작업 디렉터리를 root("/")로 바꿔서 다른 파일 시스템의 unmount 동작에 영향을 주지 않도록 한다.
  • chdir("/"); 로 작업 디렉터리를 옮길 수 있다.
  1. 파일 생성 마스크를 0으로 설정한다.
  • umask(0) 명령으로 umask값을 없애준다.
    • umask란, 프로세스에서 생성되는 파일의 파일 접근 권한 설정시 해당 값을 빼도록 설정된 값이다. 즉, 초기 파일 권한 666에서 umask값을 뺀 값이 생성된 파일의 권한이 된다. (디렉터리는 초기값 777)
  1. SIGCLD 시그널을 무시한다.
  • signal(SIGCHLD, SIG_IGN) 를 통해 자식이 발생하는 시그널을 무시하도록 설정해야 데몬이 생성한 프로세스들이 좀비 프로세스가 생성되지 않는다.
  • 직접 wait를 해서 처리 해줘도 된다.