[운영체제] CH4. Process Management

CH4. Process Management

프로세스의 생성 (Process Creation)

부모 프로세스(Parent process)가 자식 프로세스(Child process)를 생성한다. 하나의 부모 프로세스는 여러 개의 자식 프로세스를 생성할 수 있다. 따라서 프로세스는 트리(계층 구조)를 형성한다. 프로세스는 자원(resources)를 필요로 하는데, 이는 운영체제로부터 받거나 부모 프로세스와 공유하는 형태를 갖는다.

자원의 공유 형태

• 부모와 자식이 모든 자원을 공유하는 모델
• 일부를 공유하는 모델
• 전혀 공유하지 않는 모델 - 일반적인 모델

일반적으로 부모와 자식프로세스는 서로 자원을 경쟁하는 관계가 된다.

* Copy-On-Write(COW): Write가 발생했을 때 Copy를 하겠다. 
-> 내용이 바뀔 때(Write) Copy를 하고, 그 전까지는 부모 프로세스의 자원을 공유하는 것.

프로세스의 수행(Execution)

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

부모 프로세스가 자식 프로세스를 생성하는 방법

프로세스 생성은 사용자 프로세스인 부모 프로세스가 직접 하는 것이 아니라 시스템 콜fork()을 통해서 운영체제에게 자식 프로세스 생성을 요청한다.

부모 프로세스의 주소 공간과 운영체제에 있는 데이터(PCB, resources 등)를 복사하고, 자식 프로세스는 그 공간에 새로운 프로그램을 올린다.

e.g) UNIX에서

• fork() 시스템 콜이 새로운 프로세스를 생성한다.
  • 부모를 그대로 복사 (OS data except PID + binary)
  • 주소 공간 할당
• fork() 다음에 이어지는 exec() 시스템 콜을 통해 새로운 프로그램을 메모리에 올린다.

프로세스의 종료(Process Termination)

원칙적으로 부모 프로세스보다 자식 프로세스가 반드시 먼저 종료되도록 한다.

1. 프로세스가 마지막 명령을 수행한 후 운영체제에게 이를 알려준다.(exit) - 자발적

   • 자식이 부모에게 output data를 보낸다. (wait 시스템 콜을 통해서)
   • 프로세스의 각종 자원들이 운영체제에게 반납된다.

2. 부모 프로세스가 자식의 수행을 종료시킨다. (abort) - 강제 종료

   • 자식이 할당 자원의 한계치를 넘어섰을 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 종료가 이루어진다.

 

fork() System call

프로세스는 fork() system call에 의해서 생성된다.

int main(){
    int pid;
    pid = fork();
    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 return 값

• Parent process - pid > 0

• Child process - pid = 0

자식 프로세스는 부모 프로세스의 context를 그대로 복제하기 때문에 fork(); 이후(부모 프로세스의 PC가 가리키는 부분)부터 실행한다.

 

exec() System call

프로세스는 exec() system call에 의해 다른 프로그램을 실행할 수 있다.

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

exec()를 만나면 이전 정보를 모두 잊고 새로운 프로그램으로 덮어씌어진다.

e.g) /bin/date의 main부터 실행한다.

exec()를 호출하면 이전 상태로 되돌아올 수 없다. 따라서 위의 코드에서 자식 프로세스는 "Hello, I am child"를 출력하지 않는다.

 

wait() System call

프로세스를 blocked상태로 만드는 시스템 콜이다. 보통 자식 프로세스를 만들고 호출한다. 자식 프로세스가 종료될 때까지 blocked상태를 유지한다.

프로세스 A가 wait() 시스템 콜을 호출하면

• 커널은 child가 종료될 때까지 프로세스 A를 sleep시킨다. (blocked 상태)
• child process가 종료되면 커널은 프로세스 A를 깨운다. (ready 상태)

int main(){
    int  childPID;
    pid = fork();
    if(childPID == 0){
        /* code for child process */
    }
    else{

        wait();
    }     
}

 

exit() System call

프로세스를 종료시킬 때 호출하는 시스템 콜이다.

프로세스의 종료의 종류

• 자발적 종료
  • 마지막 statement 수행 후 exit() 시스템 콜을 통해 종료
  • 프로그램에 명시적으로 적어주지 않아도 main 함수가 리턴되는 위치에 컴파일러가 알아서 넣는다.
• 비자발적 종료
  1. 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제 종료시키는 경우
     • 자식 프로세스가 한계치를 넘어서는 자원을 요청하는 경우
     • 자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요하지 않는 경우
  2. kill, break를 입력한 경우
  3. 부모 프로세스가 종료하는 경우
     • 부모 프로세스가 종료하기 전에 자식 프로세스들이 먼저 종료된다.

프로세스와 관련된 시스템 콜

fork()	exec()	wait()	exit()
create a child(copy)	overlay new image	sleep until child is done	frees all the resources, notify parent

 

프로세스 간 협력

• 원칙적으로 프로세스는 굉장히 독립적이다. (Independent process)

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

• 경우에 따라서 프로세스 간 협력을 해야 효율적일 수 있다. (Cooperating process)

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

• 프로세스 간 협력 매커니즘(IPC: InterProcess Communication)

  1. message passing: 커널을 통해 메시지를 전달하는 방법
  2. shared memory: 서로 다른 프로세스 간에도 일부 주소 공간을 공유하게 하는 매커니즘이다. 물리적인 메모리에 매핑할 때부터 공유하도록 매핑해둔 것이다. 같은 메모리 공간을 공유하기 때문에 이 방법을 사용하는 두 프로세스는 신뢰성이 높아야 한다.
  • thread: 쓰레드는 사실상 하나의 프로세스이므로 프로세스 간 협력으로 보기는 어렵지만 동일한 프로세스를 구성하는 쓰레드들 간에는 주소 공간을 공유하기 때문에 협력이 가능하다.

Message Passing

Message System

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

Message Passing의 방법 - 프로세스의 이름을 표시/표시하지 않음

1. Direct Communication

   통신하려는 프로세스의 이름을 명시적으로 표시

2. Indirect Communication

   Mailbox(또는 port)를 통해 메시지를 간접 전달

Direct Communication

Indirect Communication

 

 

 

 

 

본 포스팅은 이화여대 반효경 교수님의 강의와 경북대 탁병철 교수님의 강의를 토대로 작성한 글입니다.