Process

1. Program에서 Process로

Program이란?

• Program은 disk에 저장된 sequence of instructions
• code + data + metadata (loading & execution 정보)
  

Process란?

• Process = running program
• program이 memory에 load되고 CPU에서 실행되면 process가 된다
• Linux에서 command 하나 실행할 때마다 new process 생성

예:

$ pwd

→ pwd program이 실행되며 하나의 process가 생성됨

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2. Process ID (PID)

• Linux는 모든 process를 PID (Process ID) 로 관리
• PID는 unique
• 종료된 process의 PID는 재사용 가능

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3. fork system call

• parent process → 기존 process
• child process → 새로 생성된 process

pid_t pid = fork();

return value of fork()

• 실패 → -1 (parent)

• 성공:

  • child process → 0
  • parent process → child의 PID

• fork 이후 parent와 child는 동시에 실행
• 변수는 복사되지만, 서로 다른 address space

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5. Process Descriptor: task_struct

Linux kernel에서 process는 task로 관리됨
kernel은 circular doubly linked list (the task list) 로 모든 task를 관리

• 모든 process는 struct task_struct로 표현

• 정의 위치: <linux/sched.h>
  

• task_truct 내부에:

  • parent
  • children (list)
  • sibling (형제 task)

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7. Process States (Linux)

Linux에서 process 상태는 task->state로 표현됨

TASK_RUNNING

• runnable 상태
• CPU에서 실행 중이거나 runqueue에서 대기 중

TASK_INTERRUPTIBLE

• sleeping 상태
• event 발생 또는 signal 수신 시 TASK_RUNNING으로 변경

TASK_UNINTERRUPTIBLE

• sleeping 상태
• signal로도 wake up 불가
• I/O 대기 등 반드시 기다려야 하는 상황

TASK_STOPPED

• execution이 중단된 상태
• 예: SIGSTOP 수신

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8. Process State 변경

Kernel에서 process state 변경 함수:

• set_current_state(state)
• set_task_state(task, state)

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9. Example (Producer–Consumer)

Producer

• event를 생성하고 consumer를 깨운다

Consumer

• event가 있는지 확인한다
• event가 있다면, 리스트에 쌓인 모든 pending event를 처리한다
• 그렇지 않으면, producer가 consumer를 깨울 때까지 잠든다

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10. Linux에서 Task 생성 절차

fork() vs clone()

fork()

• parent task의 모든 state를 copy
• 완전히 독립적인 process 생성

clone()

• parent와 일부 state를 공유
• thread 생성의 기반

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12. clone flags

clone()은 어떤 자원을 공유할지 flag로 결정

Linux thread는 사실상 clone() + flags 조합

CLONE_VM 설정 여부	Memory Space 동작
CLONE_VM = set	호출한 process와 child process가 같은 memory space를 공유
CLONE_VM = not set	child process가 clone() 호출 시점의 호출한 process memory space를 복사한 별도의 공간에서 실행

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13. _do_fork() 핵심 역할

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15. State Sharing vs Copying

• flag가 set → share (reference count 증가)
• flag가 unset → copy (새 구조체 생성)

예:

• CLONE_FILES set → files_struct 공유
• unset → files_struct 복사

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16. fork와 Memory: Copy-on-Write (COW)

문제

• fork 시 memory 전체 copy → 매우 비효율적

해결: Copy-on-Write

• 자원을 복사하기 위한 최적화 기법
  실제 copy 작업은 자원의 소유자 중 하나가 그 자원을 수정할 때까지 지연됨
  write가 발생하면 그때 자원을 copy한 뒤 수정함

즉,

• read-only → 공유
• write 발생 → 그 순간 copy

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do_fork()가 호출될 때는 page frame(실제 memory 내용)는 복사하지 않고, page table만 복사

Parent든 Child든 처음으로 write를 시도하는 순간에만 그 page frame을 복사

👉 fork() 직후에는 memory를 안 복사하고,
👉 실제로 수정하려고 할 때 그 page만 복사

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1. 새로운 task를 생성한다. 새로 생성된 task의 parent task는 _do_fork()를 실행 중인 현재 task이다.
2. 새로운 task는 parent task의 data structure를 복사하여 생성되며, 어떤 clone flag를 사용하느냐에 따라 일부는 공유되고 일부는 새로 생성되어 사용된다.
3. copy_process()는 생성된 task의 task_struct 구조체를 반환한다.

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get_task_pid()의 두 번째 인자로 PIDTYPE_PID가 전달되면, 해당 task의 pid를 나타내는 pid 구조체를 반환한다.

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새로 생성된 task를 run-queue에 넣는다.

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files_struct

1. child를 위해 열린 파일 정보를 관리하는 files_struct 구조체를 생성한다.
2. parent의 files_struct 내용을 child의 것으로 복사한다.
3. CLONE_FILES flag를 사용하면 복사하지 않고, 구조체를 공유하며 reference count를 증가시킨다.

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fs_struct

1. child를 위해 파일 시스템 정보(예: root directory, current directory)를 관리하는 fs_struct 구조체를 생성한다.
2. parent의 fs_struct 내용을 child의 것으로 복사한다.
3. CLONE_FS flag를 사용하면 복사하지 않고, 구조체를 공유하며 reference count를 증가시킨다.

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sighand_struct

1. child를 위해 등록된 signal handler 정보를 관리하는 sighand_struct 구조체를 생성한다.
2. parent의 sighand_struct 내용을 child의 것으로 복사한다.
3. CLONE_SIGHAND flag를 사용하면 복사하지 않고, 구조체를 공유하며 reference count를 증가시킨다.

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signal_struct

1. child를 위해 처리해야 할 signal 정보를 관리하는 signal_struct 구조체를 생성한다.
2. parent의 signal_struct 내용을 child의 것으로 복사한다.
3. CLONE_THREAD flag를 사용하면 복사하지 않고, 구조체를 공유한다.

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mm_struct

1. child를 위해 address space를 관리하는 mm_struct 구조체를 생성한다.

2. parent의 mm_struct 내용을 child의 것으로 복사한다.

3. CLONE_VM flag를 사용하면 복사하지 않고, 구조체를 공유하며 mm_struct의 mm_users 필드를 증가시킨다.

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Signal

이건 한마디로 말하면
👉 fork() 할 때 Linux kernel이 각종 자원들을 “어떻게 복사하거나 공유하는지”를 코드 기준으로 설명한 슬라이드 묶음이야.

아래에서 주제별로 정리해서 설명할게.

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Signal이란?

• process에게 보내는 비동기 이벤트

  • SIGINT (2) : interrupt
  • SIGKILL (9) : 강제 종료
  • SIGALRM (14) : alarm
  • SIGCHLD (20) : child 상태 변화 알림

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1️⃣ Ctrl + C 예제 코드

• Ctrl + C를 누르면 SIGINT 발생
• signal(SIGINT, handler)로 custom handler 등록
• handler에서 원하는 동작 수행 후 exit()

👉 signal은 process 제어 메커니즘임

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2️⃣ copy_files() – 열린 파일 복사

• parent process의 open file 정보를 child로 처리

• parent의 files_struct를 복사

• CLONE_FILES flag가 있으면:

  • 복사 안 함
  • 구조체 공유
  • reference count 증가

👉 thread는 보통 open file을 공유함

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3️⃣ files_struct → fdtable → file 구조

• files_struct : process 단위 open files
• fdtable : fd 배열
• file : 실제 open file object

중요한 포인트

• fd 배열은 복사됨
• file object 자체는 공유 (ref count 증가)

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4️⃣ copy_fs() – 파일 시스템 정보

fs_struct가 관리하는 것

• root directory
• current working directory
• umask 등

동작

• CLONE_FS 없으면:

  • fs_struct 복사

• CLONE_FS 있으면:

  • 복사 안 함
  • 공유

👉 같은 process의 thread들은 보통 cwd를 공유

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5️⃣ copy_fs_struct() 내부

1. slab allocator로 새 fs_struct 할당
2. parent의 root / pwd 복사
3. 각각에 대해 reference count 증가

👉 directory path도 reference-counted resource

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6️⃣ copy_sighand() – signal handler

sighand_struct란?

• signal handler 함수 정보 관리

• 기본:

  • sighand_struct 복사

• CLONE_SIGHAND 있으면:

  • 복사 안 함
  • 공유
  • ref count 증가

👉 thread들은 보통 signal handler 공유

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요약

fork()는 단순 복사가 아니다

• 자원별로:

  • 복사할지
  • 공유할지를
  • flag로 결정

• kernel은:

  • reference count
  • Copy-on-Write로 성능 최적화