프로세스 생성, 종료, 통신

기운찬곰·2020년 9월 28일

Computer Science

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1. 프로세스 생성

프로세스는 실행 도중에 프로세스 생성 시스템 호출을 통해 새로운 프로세스를 생성할 수 있습니다. 이 때 생성하는 프로세스를 부모 프로세스, 새로운 프로세스를 자식 프로세스라고 부릅니다. 새로 만들어진 프로세스도 자식 프로세스를 만들 수 있는데 그 결과 프로세스 트리를 형성합니다.

대부분의 운영체제는 프로세스를 식별할 때 process id(pid) 로 구분하는데 보통 정수값입니다. pid가 1인 init프로세스가 루트 부모 프로세스 역할을 수행하며, 시스템이 부팅되면 init프로세스는 다양한 사용자 프로세스를 생성합니다.

보통 ps -ef 명령이나 ps aux 명령을 사용해서 현재 돌아가고 있는 프로세스를 확인할 수 있습니다.

보통 프로세스가 자신의 task를 수행하려면 자원들(CPU, 메모리, 파일, 입출력장치)이 필요합니다.

방법1. 프로세스가 subprocess(자식 프로세스)를 생성하면 운영체제로부터 직접 자원을 받던가
방법2. 부모 프로세스 자원을 나눠갖습니다. 이 때 초기화 자료를 부모 프로세스가 자식 프로세스로 넘겨줄 수도 있습니다.

1단계. 새로운 프로세스는 부모 프로세스가 fork() 시스템 호출로 생성됩니다. 새로운 프로세스는 원래 프로세스의 주소공간의 복사본으로 구성됩니다. 이렇게 함으로써 부모와 자식 프로세스간 쉽게 통신이 가능하게 됩니다.
2단계. fork() 시스템 호출 다음에 두 프로세스 중 한 프로세스가 exec() 시스템 호출을 사용하여 자신의 메모리 공간을 새로운 프로그램으로 교체합니다. 이와 같은 방법으로 부모와 자식이 나눠지게 되며 각자의 길을 가게 됩니다.
3단계. 자식프로세스가 실행되는 동안 부모프로세스가 할일이 더이상 없다면 부모프로세스는 자식이 종료될때 까지 ready queue에서 자신을 제거하기 위해 wait() 시스템 호출을 합니다.
4단계. 자식 프로세스가 끝나면 exit() 시스템 호출을 하여 종료시킵니다. 부모 프로세스 역시 wait() 호출로 부터 재개하여 exit() 시스템 호출을 사용하여 끝냅니다.

아래와 같이 C프로그램을 작성할 수 있습니다.

#include <stdio.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    int pid;

    /* 새 프로세스를 생성한다.(fork) */
    pid = fork();

    if(pid < 0) { // 오류
        fprintf(stderr, "Fork Failed");
        return 1;    
    }
    else if(pid == 0) { // 자식 프로세스
        /* 자식 프로세스를 새로운 프로그램으로 바꿈 */
        execlp("/bin/ls", "ls", NULL);
    }
    else { // 부모 프로세스
        /* 자식 프로세스가 완료되기를 기다림 */
        wait(NULL);
        printf("Child Complete");
    }
    return 0;
}

2. 프로세스 종료

프로세스는 종료를 위해 exit() 시스템 호출을 사용해야 합니다. 종료 시 모든 자원은 운영체제로 반환됩니다.

일반적으로 부모 프로세스는 자식 프로세스가 종료되기를 기다렸다가 연쇄적으로 종료되지만, 여러가지 이유로 인하여 자식들 중 하나의 실행을 종료할 수 있습니다.

경우1. 자식이 자신에게 할당된 자원을 초과하여 사용할 때
경우2. 자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요없을 때
경우3. 부모가 exit를 하는데, 운영체제는 부모가 exit한 후에 자식이 실행을 계속하는 것을 허용하지 않는경우. 이것을 cascading termination(연쇄식 종료)라고 부릅니다.

3. 프로세스간 통신

프로세스에는 두가지 종료가 있습니다.

Independent Process(독립적인 프로세스) : 프로세스가 시스템에서 실행 중인 다른 프로세스들에게 영향을 주거나 받지 않는 경우. 다른 프로세스와 데이터를 공유하지 않는경우에 해당.
Cooperating Process(상호 협력적인 프로세스) : 프로세스가 시스템에서 실행 중인 다른 프로세스들에게 영향을 주거나 받는 경우. 다른 프로세스와 자료를 공유하는 경우에 해당.

그렇다면 왜 상호 협력을 할 필요가 있을까?

Information Sharing(정보공유) : 여러 사용자가 동일한 정보(공유 파일 등)에 흥미를 가질 수 있으므로 그러한 정보를 병행적으로 접근할 수 있도록 환경을 제공
Computation Speed-up(계산 가속화) : 특정 task의 계산을 빠르게 하고 싶으면 그것을 subtask로 나누어 병렬로 수행되게 할 수 있다. 이 것은 여러개의 CPU 또는 I/O 채널 등 복수 개의 processing element가 있어야만 수행될 수 있다.
Modularity(모듈성) : 시스템 기능을 별도의 프로세스들 또는 스레드들로 나누어 모듈형 시스템을 구성해야 할수도 있다.
Convenience(편의성) : 개별 사용자들이 많은 task를 동시에 수행할 수도 있다. 이 때 병렬로 처리되도록 환경을 제공해야한다.

프로세스간 통신기법(Interprocess Communication, IPC)에는 2가지 기법이 존재합니다. 공유메모리와 메시지 전달.

공유메모리(Shared Memory)

shared memory는 프로세스들에 의해 공유되는 메모리 영역이며, 그 영역에 데이터를 읽고 씀으로써 정보를 교환할 수 있습니다. shared memory는 자원 사용 시 충돌 문제가 있지만 속도가 빠르고 편이를 제공합니다.

메시지 전달(Message Passing)

message passing은 프로세스들 사이에 교환되는 메시지를 통해 정보를 교환합니다. message passing은 충돌을 회피할 필요가 없기 때문에 적은 양의 데이터를 교환할 때 유용하고 구현이 쉽습니다. 하지만 message passing은 system call을 통해 kernel을 거쳐야하므로 시간을 좀 더 소비하게 됩니다.

4. 공유 메모리 시스템

프로세스들은 공유 메모리를 읽고 씀으로써 정보를 교환할 수 있습니다. 이 때 프로세스들이 동시에 동일한 위치에 쓰지 않는다는 것을 보장해야 합니다.

보통 producer-consumer(생상자-소비자) 모델을 동기화하는 일반적인 패러다임으로 생각합니다. producer는 버퍼에 채우고 consumer는 버퍼의 내용을 소비하고, 그 사이에는 공유메모리(=버퍼)가 존재합니다. 이 때 동시에 접근해서는 안되고 버퍼가 꽉 차거나 비었을 때를 고려해야 합니다.

생성자 : 생성자는 버퍼가 가득차게 되면 소비자가 정보를 소비할때까지 대기해야 합니다.

item nextProduced;

while(true) {
    /* produce an item in nextProduced */
    while(((in + 1) % BUFFER_SIZE) == out); // wait

    buffer[in] = nextProduced;
    in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
}

소비자 : 소비자는 버퍼가 비어있으면 생성자가 정보를 넣어줘야 할때까지 대기해야 합니다.

item next_Consumed;

while(true){
    while(in == out); // wait
	
    /* consume the item in nextConsumed */
    next_Consumed = buffer[out];
    out = (out+1)%BUFFER_SIZE;
}

여기엔 동기화가 적용이 안됐는데 producer와 consumer가 버퍼에 동시에 접근하는 경우 문제가 생길 수 있습니다. 이 것은 나중에 다루게됩니다.

5. 메시지 전달 시스템

shared memory와 같은 효과를 낼 수 있는 다른 방법은 운영체제가 messaging-passing 설비를 구축하고 프로세스간 통신 수단을 제공해 주는 것입니다. messaging-passing 방식은 통신하는 프로세스들이 서로 다른 컴퓨터에서 네트워크로 연결된 분산 환경일 때 특히 유용합니다.

messaging-passing system은 최소한 send, receive 연산을 제공해야 합니다. messaging-passing system을 고려할 때 고려해야 하는 세 가지 사항이 있습니다.

고려사항

직접 통신 or 간접 통신 => Naming
동기식 통신 or 비동기식 통신 -> Synchroinization
자동 버퍼링 or 명시적 버퍼링 => Buffering

1. Naming

직접통신

send(P, message) - 프로세스 P에게 메시지를 송신한다
receive(Q, message) - 프로세스 Q로부터 메시지를 수신한다

문제점은 서로 상대방의 신원을 알고 정의해야합니다. 만약 프로세스의 이름을 바꾸면 모든 다른 프로세스 정의를 검사할 필요가 있습니다. 1대1 통신만 가능합니다. (추천하지 않는 방식입니다)

간접통신

send(A,messgae) - 메시지를 메일박스 A로 송신한다
receive(A, message) - 메시지를 메일박스 A로 부터 수신한다

연결은 2개 이상의 프로세스들과 연관될 수 있습니다.

2. Synchroinization

동기식(Blocking)

동기식 보내기 : 송신프로세스가 정보를 보냄. 수신프로세스가 수신할때까지 아무것도 안함(예를 들어, 전화를 걸때)
동기식 받기 : 송신프로세스가 정보를 전달할때까지 수신프로세스는 아무것도 안함

비동기식(Non-Blocking)

비동기식 보내기 : 송신프로세스가 정보를 보내고, 수신프로세스가 받던지 말던지 상관없이 딴일을 함(예를들어, 카톡)
비동기식 받기 : 유효한 메시지 혹은 널을 받는다

send와 receive가 모두 봉쇄형일때 우리는 송신자와 수신자간에 랑데부(rendezvous protocol) 를 갖게된다고 한다. 1:1연결. 보내는 쪽과 받는 쪽이 명확해지고 서로 계속 연결을 유지하기 때문에 중간에 버퍼가 필요없다. 무용량(zero cpapcity) 버퍼가 가능해진다.

3. Buffering

Zero Capacity(무용량): queue의 최대 길이가 0이다. sender는 receiver가 메시지를 수신할 때까지 기다려야 한다.
Bounded Capacity(유한용량): queue가 유한한 길이를 가진다. queue가 꽉차면 sender는 기다려야 하고, queue가 비어있으면 receiver가 기다려야 한다.
Unbounded Capacity(무한용량): queue가 무한한 길이를 가진다. sender는 blocking 될 일이 없다. receiver만 queue가 비어있을 때 기다려야 한다.