📌 프로세스 생성

대부분 시스템 내의 프로세스들은 병행 실행될 수 있으며, 반드시 동적으로 생성되고 제거되어야 한다. 그러므로 운영체제는 프로세스 생성 및 종료를 위한 기법을 제공해야 한다. 실행되는 동안 프로세스는 여러 개의 새로운 프로세서들을 생성할 수 있는데, 생성하는 프로세스를 부모 프로세스라고 하고 새로운 프로세스는 자식 프로세스라고 부른다. 이 새로운 프로세스들은 각각 다시 프로세스들을 생성할 수있다.

이 때, CPU가 하나인 경우에 다양한 작업들이 병렬적으로 진행되는 것처럼 보이지만, 실제로는 병렬적으로 처리되는 것이 아니고 CPU는 여전히 한 번에 하나의 작업만을 처리하지만 동시에 작업을 처리한다. (병렬과 동시는 다름)

운영체제들은 프로세스식별자(pid)를 사용하여 프로세스들을 구분한다. 위 그림은 전형적인 프로세스 트리를 보여주고 있으며 프로세스 이름과 pid를 보인다. 언제나 pid가 1인 systemd 프로세스가 모든 사용자 프로세스의 루트 부모 프로세스 역할을 수행한다.

pid 1은 시스템이 부트될 때 생성되는 첫 번째 사용자 프로세스로 시스템이 부팅하면 systemed 프로세스는 다양한 사용자 프로세스를 생성한다. 이러한 프로세스에는 웹 또는 프린트 서버, ssh 서버 등이 포함된다.

“ps -ef” 는 Unix 및 Unix 계열 운영 체제에서 실행 중인 모든 프로세스를 보기 위한 명령어로 프로세스의 상세 정보를 나열하고 출력한다.

📌 프로세스 생성 옵션

fork()를 통한 프로세스 생성에는 다양한 옵션이 있다.

자원 공유 옵션 (Resource Sharing Options):
- Parent and children share all resources: 부모 프로세스와 자식 프로세스가 모든 자원을 공유한다. 즉, 부모와 자식 프로세스는 파일, 메모리, 디스크 공간 등 모든 자원을 공유한다.
- Child shares subset of parent’s resources: 자식 프로세스가 부모 프로세스의 일부 자원을 공유한다. 예를 들어, 부모 프로세스가 열어 둔 파일 중 일부만 자식 프로세스가 접근할 수 있다.
- Parent and child share no resources: 부모 프로세스와 자식 프로세스가 어떠한 자원도 공유하지 않는다. 각각의 프로세스는 독립적으로 실행된다.
실행 옵션 (Execution Options):
- Parent and child execute concurrently: 부모 프로세스와 자식 프로세스가 동시에 실행된다. 이 경우 부모 프로세스와 자식 프로세스는 독립적으로 실행되며, 서로 영향을 주지 않는다.
- Parent waits until child terminates: 부모 프로세스는 자식 프로세스가 종료될 때까지 기다린다. 자식 프로세스의 실행이 끝날 때까지 부모 프로세스는 블록된다.
주소 공간 (Address Space):
- Child is a duplicate of the parent: 자식 프로세스는 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사한다. 즉, 부모 프로세스의 모든 메모리 내용이 자식 프로세스에 복사된다.
- Child has a new program loaded into it: 자식 프로세스는 새로운 프로그램을 메모리에 로드합니다. 부모 프로세스와는 별도의 주소 공간을 가지며, 다른 프로그램을 실행할 수 있다.

* 주소 공간에 대한 옵션은 추후 가상 메모리 부분에서 더욱 자세하게 다룰 예정이다.

📌 fork(), exec(), wait(), exit()

- fork()

fork() 함수는 호출한 프로세스를 복제하여 새로운 프로세스를 만든다. 처음에는 동일한 메모리 상태를 가지고 있지만, 하나의 프로세스에서 메모리 쓰기, 파일 매핑 및 언매핑이 이루어진다면 다른 프로세스에 영향을 주지 않게 된다. 수정이 일어난 프로세스는 독립적인 메모리 공간을 가지게 되기 때문이다.

fork() 함수를 호출 하게 되면 리턴 값으로 부모는 자식 프로세스의 PID를 반환하게 되고 자식 프로세스의 return 값은 ‘0’ 을 반환한다.

- fork() 예시

- exec()

fork() 시스템 콜 다음에 두 현재 프로세스를 정지하고 프로세스 중 한 프로세스가 exec() 시스템 콜을 사용하면 자신의 메모리 공간을 새로운 프로그램으로 교체한다. exec() 시스템 콜은 이진 파일을 메모리로 적재하는데 이 때 exec() 시스템 콜을 포함하는 원래의 프로그램의 메모리 이미지를 파괴한다. 이와 같은 방법으로 두 프로세스는 통신을 할 수 있으며, 그리고 이어 그들 각자의 길을 간다. 그 후 부모는 더 많은 자식을 생성할 수 있으며, 또는 자식이 실행하는 동안 할 일이 없으면, 자식이 종료 될때까지 준비 큐에서 자신을 제거하기 위해 wait() 시스템 콜을 한다.

- wait()

주로 fork() 를 이용해서 자식 프로세스를 생성했을때 사용한다. 자식 프로세스가 종료될 때까지 부모 프로세스는 sleep()모드로 기다리게 되는데, 부모 프로세스가 자식 프로세스보다 먼저 종료되어 자식이 고아 프로세스가 되는 것 방지하기 위해 사용된다.

wait() 를 쓰면 자식프로세스가 종료할때까지 해당영역에서 부모 프로세스가 sleep() 모드로 기다리게 된다.

이 때 , 리턴 값은 에러가 날 경우 -1 , 성공할 경우 child proccss의 ID를 return 하게 된다.

- exit()

프로세스는 마지막 문장을 실행한 후 운영 체제에 exit() 시스템 호출을 사용하여 프로세스를 삭제하도록 요청한다.

부모는 wait()를 통해 자식의 상태 데이터를 반환한다. 프로세스의 자원은 운영 체제에 의해 할당 해제된다.

자식 프로세스가 할당된 자원을 초과하거나 자식에게 할당된 작업이 더 이상 필요하지 않은 경우 부모 프로세스는 다양한 이유로

자식 프로세스의 실행을 종료할 수 있다. 일부 운영 체제는 부모 프로세스가 종료되면 자식 프로세스가 존재하는 것을 허용하지 않기도 한다.

📌 좀비 프로세스(Zombie Process) 와 고아 프로세스 (Orphan Process)

좀비 프로세스(Zombie Process) 는 이름 그대로 프로세스가 종료되었음에도 불구하고, 메모리에서 죽지 않고 살아있는 프로세스를 의미한다. 자식 프로세스가 종료되면 부모의 wait 상태가 끝나고 커널에게 자원을 반납해야 하지만 부모가 wait()을 호출하지 않은다면, 자식은 로직을 모두 마쳤지만 자원을 정상적으로 반납하지 못하고 메모리상에 남아있게 된다.

즉 자식 프로세스는 종료되었지만, 부모 프로세스가 wait() System Call을 호출하지 않아 자원을 반납하지 못하고 살아 있는 상태를 뜻한다.

좀비 프로세스를 해결하기 위해서는 크게 3가지 방법이 존재한다.

1. 부모 프로세스가 늦게라도 wait() 을 호출하여 자식의 자원을 반납한다.

2. 부모 프로세스를 종료시킨다. -> 이 과정에서 모든 자식이 종료될 수 있다.

3. 좀비 프로세스를 강제 종료 한다.

고아 프로세스(Orphan Process) 는 자식이 종료되기도 전에 부모 프로세스가 먼저 종료된 프로세스를 의미한다.

부모가 사라진 자식 프로세스는 wait() 을 호출해줄 부모가 사라졌기 때문에 좀비 프로세스와 동일한 문제가 생기게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해

커널은 모든 프로세스의 가장 최고 조상인 init 프로세스 에게 고아 프로세스를 입양 시킬 수 있다.

그럼 고아 프로세스의 부모는 init의 프로세스가 됨으로써 해결할 수 있다.

- 좀비 프로세스(Zombie Process) 예시