[Computer Science][Operating System] 🖥️ 시스템 호출과 프로세스 관리

🛠️ System Call

운영체제에서 사용자 프로그램이 운영체제의 커널에게 특정 서비스를 요청할 때 사용하는 인터페이스입니다. 간단히 말해, 시스템 호출은 프로그램이 운영체제에게 작업을 수행해 달라고 요청하는 방법입니다.

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fork(), exec(), wait()와 같은 것들은 프로세스 생성과 제어(즉, 프로세스 관리)를 위한 시스템 호출입니다.

• fork는 새로운 프로세스를 생성합니다.
• exec는 새로운 프로그램을 실행합니다.
• wait는 부모 프로세스가 생성한 자식 프로세스가 종료될 때까지 대기합니다. 즉, 자식 프로세스가 종료될 때까지 기다리는 명령어입니다.
• exit()는 프로세스를 종료하는 역할을 합니다.

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🍴 Fork

새로운 프로세스를 생성할 때 사용되며, 현재 프로세스(부모)를 복제하여 새로운 프로세스(자식)를 생성합니다. 이 함수가 호출되면 두 개의 거의 동일한 프로세스가 실행됩니다.

• 부모 프로세스: fork()가 성공적으로 호출되면 자식 프로세스의 PID를 반환합니다.
• 자식 프로세스: fork()의 반환 값으로 0을 받습니다.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    printf("pid : %d\n", (int) getpid()); // pid : 29146
    
    int rc = fork(); // 주목
    
    if (rc < 0) { // (1) fork 실패
        exit(1);
    }
    else if (rc == 0) { // (2) child인 경우 (fork 값이 0)
        printf("child (pid : %d)\n", (int) getpid());
    }
    else { // (3) parent case
        printf("parent of %d (pid : %d)\n", rc, (int)getpid());
    }
}

위 코드를 실행하면 다음과 같은 출력이 나옵니다:

pid:29146
parent of 29147 (pid:29146)
child (pid:29147)

출력 순서는 비결정적입니다. 즉, 부모와 자식 프로세스의 실행 순서는 운영체제의 스케줄러에 따라 달라질 수 있습니다.

해석: PID는 프로세서 식별자로, UNIX 시스템에서는 PID를 통해 프로세스에 명령을 내립니다. fork()가 실행되는 순간, 새로운 프로세스(자식)가 생성되며, 이때 생성된 프로세스는 부모 프로세스와 거의 동일한 복사본을 갖게 됩니다. 이 시점에서 운영체제는 두 개의 프로그램이 동시에 동작한다고 인식하며, 복사 이후의 동작은 fork()에서 반환된 순서라고 인식합니다. 그 이후는 이 fork()에 반환값을 통해 구분됩니다.

즉, Parent의 fork()가 발생하면서 Child가 복사되고 Parent와 Child 둘 다에서 방금 실행된 한번의 fork 행위에 대해서 각각 다른 반환값을 내보내 rc에 저장된다. 그래서 Parent의 fork()에는 child의 pid 값이 반환되고 Child는 0을 반환한다.
Parent와 child의 fork 값이 다르다는 점은 매우 유용한 방식이다.

하지만 스케줄러가 부모를 먼저 실행할지 아닐지 확신할 수 없기 때문에 출력 결과는 다음과 같이 달라질 수 있습니다:

pid:29146
child (pid:29147)
parent of 29147 (pid:29146)

⏳ Wait

wait()는 자식 프로세스가 종료될 때까지 부모 프로세스가 블록 상태로 대기하게 만드는 작업입니다. 즉, 자식 프로세스가 종료될 때까지 부모 프로세스는 CPU 자원을 사용하지 않고 대기합니다.

자식 프로세스가 종료되면 wait()는 종료된 자식 프로세스의 PID를 반환합니다. 위의 예시에 int wc = wait(NULL);을 추가하면 다음과 같은 코드가 됩니다.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    printf("pid : %d\n", (int) getpid()); // pid : 29146
    
    int rc = fork(); // 주목
    
    if (rc < 0) { // (1) fork 실패
        exit(1);
    }
    else if (rc == 0) { // (2) child인 경우 (fork 값이 0)
        printf("child (pid : %d)\n", (int) getpid());
    }
    else { // (3) parent case
        int wc = wait(NULL); // 추가된 부분
        printf("parent of %d (wc : %d / pid : %d)\n", wc, rc, (int)getpid());
    }
}

위 코드의 실행 결과는 다음과 같습니다:

pid:29146
child (pid:29147)
parent of 29147 (wc:29147 / pid:29146)

wait()를 통해 자식의 실행이 끝날 때까지 대기함으로써, 부모가 먼저 실행되더라도 wait()는 자식이 종료되기 전에는 반환하지 않으므로 반드시 자식이 실행됩니다.

🚀 Exec

exec()는 현재 프로세스의 메모리 공간을 새로운 프로그램으로 완전히 덮어씌우는 시스템 호출입니다. 이 함수가 호출되면 현재 프로세스의 코드, 데이터, 힙, 스택 등이 모두 새로운 프로그램으로 대체됩니다.

중요한 점은 exec() 함수가 성공적으로 호출되면 기존의 프로세스 코드는 더 이상 실행되지 않으며, 즉 exec() 이후의 코드는 실행되지 않고 새로운 프로그램이 시작됩니다.

단순 fork()는 동일한 프로세스의 내용을 여러 번 동작할 때 사용하며, 자식 프로세스에서 부모와 다른 동작을 하고 싶을 때는 exec()를 사용할 수 있습니다. exec() 이후에는 실행한 프로세스가 종료됩니다.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    printf("pid : %d\n", (int) getpid()); // pid : 29146
    
    int rc = fork(); // 주목
    
    if (rc < 0) { // (1) fork 실패
        exit(1);
    }
    else if (rc == 0) { // (2) child인 경우 (fork 값이 0)
        printf("child (pid : %d)\n", (int) getpid());
        char *myargs[3];
        myargs[0] = strdup("wc"); // 내가 실행할 파일 이름
        myargs[1] = strdup("p3.c"); // 실행할 파일에 넘겨줄 argument
        myargs[2] = NULL; // end of array
        execvp(myargs[0], myargs); // wc 파일 실행
        printf("this shouldn't print out\n"); // 실행되지 않음
    }
    else { // (3) parent case
        int wc = wait(NULL); // 추가된 부분
        printf("parent of %d (wc : %d / pid : %d)\n", wc, rc, (int)getpid());
    }
}

exec()가 실행되면 execvp(실행 파일, 전달 인자) 함수는 코드 세그먼트 영역에 실행 파일의 코드를 읽어와서 덮어씌웁니다.

씌운 이후에는 힙, 스택 및 다른 메모리 영역이 초기화되고, 운영체제는 새로운 프로그램을 실행합니다. 즉, 새로운 프로세스를 생성하지 않고 현재 프로그램에 wc라는 파일을 실행합니다. 그로 인해 execvp() 이후의 부분은 실행되지 않습니다.

결론적으로, 자식 프로세스는 exec()를 호출하고 실행하는 순간 종료되며, 부모 프로세스는 유지되다가 wait()을 통해 자식이 종료된 후 그 이후의 코드를 실행하게 됩니다.

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[1] velog - [운영체제] 시스템 콜과 커널 모드 (https://velog.io/@wejaan/%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C-%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9C-%EC%BD%9C)
[2][한빛미디어] 혼공학습단 - [운영체제란?] 커널의 개념, 이중 모드와 시스템 호출 (https://hongong.hanbit.co.kr/%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C%EB%9E%80-%EC%BB%A4%EB%84%90%EC%9D%98-%EA%B0%9C%EB%85%90-%EC%9D%91%EC%9A%A9-%ED%94%84%EB%A1%9C%EA%B7%B8%EB%9E%A8-%EC%8B%A4%ED%96%89%EC%9D%84-%EC%9C%84%ED%95%9C/)
[3] Medium - 운영체제 커널모드와 사용자 모드 및 시스템 호출 (https://medium.com/@su_bak/%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C-%EC%BB%A4%EB%84%90%EB%AA%A8%EB%93%9C%EC%99%80-%EC%82%AC%EC%9A%A9%EC%9E%90-%EB%AA%A8%EB%93%9C-%EB%B0%8F-%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9C-%ED%98%B8%EC%B6%9C-3631d24636a6)
[4] 티스토리 - [운영체제] 운영체제(OS), 시스템 콜(System Call) (https://brightstarit.tistory.com/13)