시프 - 4주차 process

강준호·2024년 3월 28일

시스템프로그래밍

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프로세스

프로세스의 정의 및 특성

프로세스란?

프로세스는 실행 중인 프로그램의 인스턴스로 설명됩니다.
프로세스는 실행흐름이지만, 관리가 되어지는 실행흐름들. 스케쥴링 단위.
독립된 가상 메모리를 가지고 사용함. 서로 침범해서는 안돼.

Q. 사용해보면 프로세스>> CPU 이던데..?

물리적으로는 1번에 1개만 수행하는데, 컨텍스트 스위칭으로 동시에 실행되는것처럼 보여짐.

프로그램의 메모리에 올라가지 않아도 프로세스가 있을수있음.
여기에는 프로그램의 명령, 사용된 메모리 및 액세스된 시스템 리소스가 포함됩니다.

UNIX 프로세스

UNIX 프로세스는 다른 프로세스로부터 보호됩니다:
- 자체 메모리를 가짐
- 전용 CPU에서 실행되는 것처럼 보임
- 사용하는 시스템 서비스가 전용으로 제공됨
이러한 환경을 유지하기 위해 하드웨어 지원이 필요합니다

실행 파일 형식

실행 파일 형식

각 실행 파일은 특정 실행 파일 형식으로 저장됩니다.
실행 파일 형식은 다음 정보를 제공합니다:
- 프로그램에 필요한 환경 정보
- 프로그램 코드 자체
- 기타 메타데이터

ELF (Executable and Linking Format)

많은 현대 시스템에서 ELF 형식을 사용합니다. (Windows는 PE, macOS는 Mach-O를 사용)
ELF 실행 파일과 라이브러리는 두 가지 유형의 정보를 포함합니다:
- 객체를 로드하고 실행하는 데 필요한 정보
- 객체를 링크하는 데 필요한 정보

로딩

로딩은 실행 파일이나 공유 라이브러리를 메모리로 이동하는 과정입니다.
리눅스에서 커널은 로딩을 시작하고, ld-linux.so가 이를 마무리합니다:
- 커널은 ELF 실행 파일의 여러 부분을 제자리에 이동시킴
- 로더를 제자리에 이동시킴
- 커널은 로더를 호출하여 메모리 내 프로그램 데이터를 변경함
- 로더는 프로그램의 시작 지점으로 점프

프로세스의 메모리 레이아웃

프로그램에서 프로세스로

실행 파일이 메모리로 로드되어 프로세스가 됩니다.
프로세스의 메모리 레이아웃은 ELF 섹션을 모방합니다.
시스템은 로드된 레이아웃에 추가 의미를 부여합니다.
대부분의 POSIX 시스템은 동일하거나 유사한 레이아웃을 사용합니다.

기본 레이아웃

현대 시스템은 또한:
- ELF 파일에 나타나지 않는 프로그램 코드인 공유 라이브러리를 매핑
- 매핑된 섹션의 위치를 무작위화
그러나 논리적 레이아웃은 동일하게 유지됩니다.
특히 섹션의 순서는 유지됩니다.

텍스트 섹션

텍스트 섹션은 실제 프로그램 명령어를 포함합니다.
어셈블러는 ELF .text 섹션에 바이너리 기계 명령어를 배치합니다.
커널은 텍스트를 프로세스의 메모리에 복사하고, 로더는 이를 실행할 준비를 합니다.

데이터 & BSS 섹션

데이터 섹션은 컴파일 시 초기값이 정의된 변수와 상수를 포함합니다.
링커는 이 데이터를 ELF .data 섹션에 삽입하고, 커널은 이를 프로세스의 메모리에 로드합니다.
BSS 섹션은 컴파일 시 값이 정의되지 않은 변수를 포함합니다.
커널은 프로그램을 로드할 때 BSS를 위한 공간을 만듭니다.

스택과 힙

스택: 함수 호출에 대한 지역 변수를 포함
힙: 명시적으로 할당된 메모리를 포함
스택과 힙은 모두 성장할 수 있습니다.
따라서 힙과 스택 사이에 매핑되지 않은 공간이 존재합니다.

ELF 구조와 프로세스의 구조 비교

ELF 구조

ELF 파일이란?

ELF(Executable and Linking Format)는 실행 파일, 객체 코드, 공유 라이브러리 및 코어 덤프에 사용되는 표준 파일 형식입니다.
주로 UNIX 및 UNIX-like 시스템에서 사용됩니다.

ELF 파일의 주요 섹션

텍스트 섹션 (.text)
- 실제 프로그램 코드가 포함되어 있습니다.
- 프로세서가 실행하는 기계 명령어가 포함됩니다.
데이터 섹션 (.data)
- 컴파일 시 초기값이 정의된 변수와 상수들이 포함됩니다.
- 문자열 상수, 전역 변수 등과 같은 데이터가 포함됩니다.
BSS 섹션 (.bss)
- 초기값이 정의되지 않은 변수들이 포함됩니다.
- 예를 들어, 초기화되지 않은 전역 변수 등이 포함됩니다.

ELF 파일의 추가 섹션

헤더: 파일의 전반적인 구조와 정보를 정의합니다.
심볼 테이블: 프로그램의 변수와 함수 심볼에 대한 정보를 포함합니다.
섹션 헤더 테이블: 파일에 포함된 각 섹션에 대한 정보를 포함합니다.
프로그램 헤더 테이블: 실행 파일의 메모리 매핑 정보 등을 포함합니다.

프로세스의 구조

프로세스란?

프로세스는 실행 중인 프로그램의 인스턴스입니다.
프로세스는 실행 파일을 메모리에 로드한 후, 운영체제가 이를 관리합니다.

프로세스의 주요 메모리 영역

텍스트 섹션
- 실행 파일의 .text 섹션이 메모리로 로드되어 실행됩니다.
- 프로그램의 기계 명령어가 포함되어 있으며, 실행 시 실제로 프로세서가 실행합니다.
데이터 섹션
- 실행 파일의 .data 섹션이 메모리로 로드됩니다.
- 초기값이 설정된 전역 변수와 상수가 포함됩니다.
BSS 섹션
- 실행 파일의 .bss 섹션이 메모리로 로드됩니다.
- 초기값이 설정되지 않은 전역 변수들이 포함됩니다.

추가 메모리 영역

힙 (Heap)
- 동적 메모리 할당을 위해 사용됩니다.
- malloc()과 같은 함수 호출로 런타임 중에 메모리를 할당합니다.
스택 (Stack)
- 함수 호출 시 지역 변수와 반환 주소를 저장합니다.
- 함수 호출 시마다 새로운 스택 프레임이 생성됩니다.

프로세스 환경

프로세스 제어 블록 (PCB)
- 프로세스의 상태, 레지스터 값, 프로그램 카운터, 메모리 관리 정보 등을 포함합니다.
- 운영체제가 프로세스를 관리하기 위해 사용합니다.

비교

공통점

텍스트 섹션: ELF 파일의 .text 섹션은 프로세스의 텍스트 섹션으로 로드되어 프로그램 명령어를 실행합니다.
데이터 섹션: ELF 파일의 .data 섹션은 프로세스의 데이터 섹션으로 로드되어 초기값이 설정된 변수를 포함합니다.
BSS 섹션: ELF 파일의 .bss 섹션은 프로세스의 BSS 섹션으로 로드되어 초기값이 설정되지 않은 변수를 포함합니다.

차이점

메모리 레이아웃
- ELF 파일은 파일 형식으로 디스크에 저장되며, 프로세스로 로드되면 메모리 레이아웃이 달라집니다.
- 프로세스는 추가적인 메모리 영역(스택, 힙)을 포함하며, 동적 메모리 할당과 함수 호출을 위한 공간이 필요합니다.
실행 환경
- ELF 파일은 단순히 실행 파일을 저장하는 형식이지만, 프로세스는 운영체제에 의해 관리되는 실행 중인 엔티티입니다.
- 프로세스는 PCB와 같은 제어 구조를 통해 운영체제에 의해 관리됩니다.

운영체제와의 상호작용

ELF 파일
- 파일 시스템에 저장되고, 실행 시 로더에 의해 메모리로 로드됩니다.
프로세스
- 실행 파일이 로드된 후, 운영체제의 스케줄러, 메모리 관리자, 시스템 호출 인터페이스와 상호작용합니다.

이 비교를 통해 ELF 파일이 단순히 프로그램의 실행 파일 형식인 반면, 프로세스는 실행 중인 프로그램으로서 더 복잡한 메모리 구조와 운영체제와의 상호작용을 포함하는 것을 알 수 있습니다.

프로세스 환경

프로세스 환경

프로세스는 메모리 외에도 복잡한 환경을 가집니다.
커널 서비스:
- 시스템 호출
- 파일 시스템
- 신호
생명 주기:
- 생성
- 새로운 프로그램의 실행
- 종료

커널 서비스

커널은 프로세스를 대신하여 서비스를 수행합니다.
POSIX 시스템은 다음을 제공합니다:
- 메모리 격리
- 전용 CPU의 환상
이를 시행하기 위해 하드웨어 지원이 필요합니다.
따라서 프로세스는 시스템 호출을 통해 커널에 접근을 요청해야 합니다.

커널/사용자 공간 분리

커널은 POSIX 시스템의 모든 공유 자원을 관리합니다:
- 메모리
- 파일
- 하드웨어 장치 (마우스, 키보드, 디스플레이 등)
커널은 이들을 제어하기 위해 슈퍼바이저 모드에서 실행됩니다.
프로세스는 사용자 모드에서 실행되며, 이를 사용자 공간(userspace)이라 부릅니다.

프로세스 생명 주기

프로세스의 메모리 공간은 커널에 의해 생성됩니다.
프로세스는 커널에 의해 생성됩니다.
프로세스가 완료되면, 자원은 정리되어야 합니다:
- 메모리
- 파일
- 기타 공유 자원
fork() 시스템 호출
버츄얼 메모리 공간이 만들어지는데, A프로세스의 버츄얼 메모리 스페이스를 복사해서 만들어줌. 빈 깡통 공간이 아님!
모든 프로세스마다 3개의 파일이 만들어져. stdin,stdout,error 이렇게 3개. 0,1,2 는 예약된 프로세스

시스템 호출

각 시스템콜 마다 번호가 매핑되어있음. ex) 오픈은 1번 등등
번호를 통해서 OS 에 요청할거임.
레지스터에 저장을 한다.
시스템콜을 할때는 스택을 사용할 수 없어 => 즉, arg 의 제한이 있어. cpu의 레지스터 개수는 정해져있으니. 이 개수만큼만 사용가능.
특정 레지스터에 약속된 값을 저장해놓고, interupt 를 실행.
Ex) OS님 제가 read syscall 하고 싶습니다.

보호 도메인

슈퍼바이저 모드와 사용자 모드는 보호 도메인입니다.
보호 도메인 간의 전환에는 하드웨어 지원이 필요합니다.
따라서 시스템 호출은 단순한 함수일 수 없습니다.
x86_64 리눅스 시스템에서 시스템 호출은 소프트웨어 인터럽트를 통해 접근합니다.

함수 호출

일반 함수 호출:
- 함수 인수를 특정 레지스터나 스택에 배치
- 현재 프로그램 카운터를 스택에 배치
- 프로그램 카운터를 호출된 함수의 첫 번째 명령어로 변경
함수 완료 시:
- 반환 값을 특정 레지스터에 배치
- 이전 프로그램 카운터를 스택에서 가져옴
- 프로그램 카운터를 호출 위치로 변경

시스템 호출 호출

시스템 호출은 특별한 호출 방식을 가집니다:
- 시스템 호출 번호를 특정 레지스터에 배치
- 시스템 호출 인수를 다른 레지스터에 배치
- syscall 프로세서 명령어를 호출
그 후 CPU 하드웨어:
- 보호 도메인 변경
- 잘 알려진 위치로 점프
시스템 호출 실행 후:
- 반환 값을 특정 레지스터에 배치
- sysret 프로세서 명령어를 호출
CPU 하드웨어:
- 사용자 모드로 변경
- 호출 함수로 점프

프로세스 생명 주기

프로세스 생성

fork() 시스템 호출: 부모 프로세스를 복제하여 새로운 프로세스를 생성.
- 새로운 프로세스 ID(PID) 생성.
- 부모 프로세스의 메모리 공간을 복사하여 새로운 프로세스에 할당.
fork()는 호출 프로세스를 복제하여 다음을 수행:
- 새로운 프로세스 ID (PID)와 커널 구조 생성
- 새로운 메모리 공간 생성
- 현재 프로세스의 전체 내용을 새로운 메모리 공간으로 복사
- fork() 호출에서 두 프로세스 모두 실행을 반환
원래 프로세스에서 fork()는 새로운 PID를 반환
새로운 프로세스에서 fork()는 0을 반환

프로세스 가족

모든 POSIX 프로세스는 부모 프로세스를 가짐
프로세스는 fork() 또는 posix_spawn()을 호출하여 자식 프로세스를 가질 수 있음
부모 프로세스가 종료되면, 프로세스는 고아가 됨
고아 프로세스는 init에 의해 채택됨
모든 프로세스의 가족은 트리를 형성

fork()/exec() 모델

fork된 프로세스는 생성자의 동일한 프로그램을 실행해야 함
POSIX는 새로운 프로그램을 실행하는 exec() 시스템 호출 제공
많은 시스템에서 다음을 위한 단일 호출 제공:
- 새로운 프로세스 생성
- 해당 프로세스에서 새로운 프로그램 실행
현대 POSIX 시스템은 이를 위해 posix_spawn() 제공

프로세스 종료

프로세스는 다음 시점에 종료:
- exit() 시스템 호출을 호출할 때
- main()에서 반환될 때
- 특정 신호를 받고 처리하지 못할 때 (예: SIGSEGV)
첫 두 경우에는 선택한 값을 반환:
- exit()의 정수 인수
- main()의 정수 반환 값
세 번째 경우에는 신호에 의해

프로그램 실행

exec() 시스템 호출: 새로운 프로그램을 현재 프로세스 주소 공간에 로드하여 실행.
- 현재 프로세스의 이미지가 새로운 프로그램 이미지로 대체됨.

시스템 리소스와의 상호작용

파일 시스템

프로세스는 파일을 열고 읽거나 쓸 수 있음.
파일 디스크립터를 통해 열린 파일을 추적.

시스템 호출

프로세스는 커널 서비스에 접근하기 위해 시스템 호출을 사용.
시스템 호출은 하드웨어 인터럽트를 통해 커널 모드로 전환됨.

신호 (Signals)

프로세스 간 또는 커널이 프로세스에 신호를 보낼 수 있음.
신호는 특정 이벤트(예: 종료, 예외 등)를 프로세스에 알림.

프로세스 환경 변수

프로세스는 실행 시 환경 변수(environ)를 가짐.
getenv()와 setenv() 함수를 통해 환경 변수를 읽거나 설정할 수 있음.

작업 디렉토리

프로세스는 현재 작업 디렉토리를 가짐.
chdir() 시스템 호출로 현재 작업 디렉토리를 변경할 수 있음.

프로세스 종료

exit() 시스템 호출: 프로세스가 종료될 때 호출.
- 메모리, 파일 디스크립터 등 모든 자원을 정리하고 해제.
wait() 시스템 호출: 부모 프로세스가 자식 프로세스의 종료를 기다림.

요약

프로세스가 뭔지
프로세스가 실행될때 주변 환경이 어떻게 되는지
ELF 파일 포멧
fork 가 되서 불러지는 모양들

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