Process Creation
부모 프로세스와 자식 프로세스
• 부모 프로세스:
이미 실행 중인 프로세스, 새로운 프로세스를 생성하는 역할.
• 자식 프로세스:
부모 프로세스가 생성한 새로운 프로세스.
부모 프로세스의 context (메모리, 스택, 레지스터)를 복사하여 생성되며, 부모와 자식은 독립적으로 실행됨.
자식 프로세스는 복사된 메모리 공간에 새로운 프로그램을 load할 수 있음.
부모와 구분되기 위해 새로운 고유 PID(Process ID)를 부여받음.
프로세스 생성 시스템 호출
• fork()
: 부모 프로세스의 모든 내용을 그대로 복사하여 새로운 자식 프로세스를 생성.
부모와 자식은 동일한 코드를 실행하나, 반환값(return value)을 통해 구분됨.
부모는 fork()의 반환값으로 자식의 PID를 받음.
자식은 반환값으로 0을 받음.
• exec()
: 부모 프로세스의 복사된 상태를 지우고, 새로운 프로그램을 자식 프로세스의 메모리 공간에 load하여 실행.
fork() 시스템 콜
• fork()의 동작
: fork()를 호출하면 실행 중인 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복제.
결과적으로 부모와 자식은 동일한 코드, 데이터, 스택 구조를 가지지만,
각각 독립적인 프로세스로 실행되며, 메모리도 분리되어 관리됨.
• fork()의 반환값
부모 프로세스 :
fork()의 반환값이 자식 프로세스의 PID (양수)입니다.
반환값이 0보다 크므로 a > 0 조건을 만족.
부모 프로세스는 자식 프로세스가 아닌 다른 작업을 수행할 수 있습니다.
자식 프로세스 :
fork()의 반환값이 0.
자식 프로세스는 주로 부모와 독립적인 작업을 수행.
int main() {
int a = fork(); // fork 호출: 자식 프로세스 생성
if (a == 0) {
// 자식 프로세스 실행
printf("\n Hello, I am child!\n");
} else if (a > 0) {
// 부모 프로세스 실행
printf("\n Hello, I am parent!\n");
}
return 0;
}fork() 호출 후 두 프로세스가 동시(병렬) 실행되기 때문에 출력 순서는 보장되지 않음.
exec() 시스템콜
: 프로세스가 현재 실행 중인 프로그램 대신 다른 프로그램을 실행하도록 만듦.
• 메모리 변경
: 현재 프로세스의 코드, 데이터, 스택을 교체하여 새로운 프로그램으로 바꿈.
• PID 유지
: 프로세스 ID는 변경되지 않으면서, 기존의 프로세스를 대체함.
• 호출 후 반환 없음
: exec()가 성공적으로 실행되면 호출한 프로그램으로 돌아오지 않음.
→ 기존 프로그램은 더 이상 실행되지 않음.
int main() {
printf("\n Now, I'll run ls.\n");
execlp("ls", "ls", "-l", (char *) 0); // ls -l 명령이 실행되며, 현재 프로세스는 ls 프로그램으로 교체됨
printf("\n I cannot do anything now!\n"); // 프로세스가 교체되어 실행되지 않음
}int main() {
if (fork() == 0) {
// 자식 프로세스
printf("\n Hello, I am child! Now I'll run date\n");
execlp("date", "date", (char *) 0); // 자식 프로세스가 date 명령으로 교체되어 현재 날짜와 시간을 출력
} else {
// 부모 프로세스
printf("\n Hello, I am parent!\n");
}
}exec() 시스템 호출의 특징
• 커널에는 exec()라는 하나의 system call 함수만 존재.
: but 개발자가 사용하는 다양한 exec 함수 (execlp, execvp 등)는 라이브러리 함수로 구현되어 있음. system call 함수가 아님.
→ 라이브러리 함수는 내부적으로 exec() 시스템 호출을 수행.
exec() 시스템 호출의 작업 (Task)
-
첫 번째 argument로 전달된 파일 열기:
실행할 프로그램의 파일을 엽니다.
ex. a.out 또는 스크립트 파일. -
magic number 읽기:
파일의 처음 몇 바이트(magic number)를 읽어 해당 파일이 실행 가능한 바이너리인지, 스크립트인지 판별.
• 실행 파일:
ELF(Executable and Linkable Format) 또는 바이너리 프로그램.
• 스크립트 파일:
첫 줄이 #!로 시작되며, 해당 인터프리터 경로를 가리킴.
ex. #!/bin/bash로 시작하는 쉘 스크립트.
wait() 시스템 콜
부모 프로세스가 wait()를 호출하면:
자식 프로세스가 종료될 때까지 부모 프로세스는 Block 상태로 전환.
커널의 Ready Queue에서 제거되어 CPU를 사용하지 않음.
자식 프로세스가 종료되면:
커널이 부모 프로세스를 Ready 상태로 전환하고 다시 실행.
(종료된 자식 프로세스의 상태를 wait()의 반환 값으로 받음.)
int main() {
int a = fork(); // 부모-자식 프로세스 생성
if (a == 0) {
// 자식 프로세스의 코드 실행
<code for child process>
} else {
// 부모 프로세스: 자식 프로세스가 끝날 때까지 대기
wait();
<code for parent process>
}
}Process의 수행 모델
부모와 자식이 함께 수행되는 모델
: 자식 프로세스는 Background에서 실행됨.
부모 프로세스는 자식의 종료를 기다리지 않고 자신의 작업을 계속 수행.
$ a.out & // &: 명령어를 백그라운드에서 실행하도록 지정
$ _ // 부모 프로세스(쉘)가 다음 명령을 즉시 입력받을 수 있음.자식이 종료될 때까지 부모가 기다리는(wait) 모델
$ a.out // Foreground 실행: 부모는 자식 프로세스의 종료를 기다림.Process Termination (프로세스 종료)
자발적 종료 (Voluntary Termination)
: 프로세스가 스스로 종료되는 경우.
exit() 시스템 호출을 통해 종료를 명시적으로 수행.
• main() 함수가 끝나거나 명시적으로 exit() 호출.
• 프로세스가 종료되면 부모 프로세스에 signal을 보내 종료를 알림.
비자발적 종료 (Involuntary Termination)
: 외부 요인이나 부모 프로세스가 강제로 종료시키는 경우.
• 자식 프로세스가 리소스 한계를 초과하거나 더 이상 작업이 필요하지 않을 때 부모 프로세스가 강제 종료.
• 사용자 입력에 의한 종료: kill, Ctrl + C, Ctrl + Break 등의 신호(signal).
• 부모 프로세스가 종료하는 경우, 자식 프로세스가 먼저 종료.
exit() 시스템 콜
• Signals: Ignore them all
프로세스가 종료되는 동안 더 이상 어떤 신호(signal)도 처리하지 않음.
→ 예외 상황 없이 안전하게 종료를 보장.
• Files: Close
프로세스가 열어 둔 모든 file descriptor를 닫음.
파일 시스템 리소스를 반환하여 다른 프로세스에서 사용할 수 있도록 함.
• Image: Deallocate
해당 프로세스의 메모리 공간(코드, 데이터, 스택 등)을 해제(deallocate).
메모리 자원을 반환하여 시스템의 다른 작업에 재사용 가능.
• Parent: Notify (send signal)
부모 프로세스에 신호를 보내 해당 자식 프로세스가 종료되었음을 알림.
부모가 종료를 확인하지 않으면 zombie process가 생성됨.
• State: Set it to ZOMBIE
프로세스가 종료되었음을 나타내기 위해 상태를 좀비 프로세스(ZOMBIE)로 설정.
부모가 종료 신호를 수신하고 좀비 상태를 처리해야 완전히 제거됨.
• During exit(), kernel
CPU 반환: 현재 프로세스에서 커널이 CPU를 회수하여 다른 프로세스에 할당.
CPU는 Ready State에 있는 다른 프로세스에게 할당됨.
Library vs. System call (revisited)
Library 함수
: 사용자 주소 공간에서 실행
수학 연산: sin(), cos()
입출력 함수: printf(), scanf(), fopen(), fclose()
프로세스 관련: execlp()
System Call
: 커널 내부에 정의된 함수, 커널 주소 공간에서 실행
사용자 모드(User Mode)에서 커널 모드(Kernel Mode)로 전환하여 실행.
입출력 관련: read(), write(), open(), close()
프로세스 관리: fork(), exec(), wait(), exit()
Shell 환경의 프로세스 수행
Shell 환경에서의 프로세스 실행 흐름
-
Booting
컴퓨터가 부팅되면 Kernel이 메모리에 가장 먼저 로드됨. -
Kernel의 역할
부팅 과정에서 커널은 기본 시스템 리소스(CPU, 메모리, 장치 등)를 초기화함.
초기화 후, Shell(bash) 프로세스를 실행. -
Terminal Power-on
터미널 실행 시, 커널은 bash와 같은 쉘 프로그램을 자식 프로세스로 실행.
• 쉘(Shell) : 사용자 명령어를 입력받아 실행하는 프로그램. -
Bash (Shell)
사용자가 입력한 명령어를 읽어들이고, 그 명령을 수행하기 위한 프로그램을 실행.
이 과정에서 새로운 프로세스를 생성하며, 명령어 실행은 커널(System Call)을 통해 이뤄짐.
Shell 환경에서 사용자별 프로세스 관리
-
Kernel과 Shell의 관계
커널은 터미널을 통해 사용자가 입력한 명령어를 처리하기 위해 Shell을 생성. -
User A와 User B
User A와 User B는 각각 독립된 터미널을 사용하고 있음.
각 사용자에게는 독립적인 bash 프로세스가 생성.
커널은 각 사용자 터미널을 구분하며, 요청에 따라 각각의 bash 프로세스를 생성하고 관리. -
구조의 특징
독립성 : 각 사용자에게는 독립적인 bash 프로세스가 할당되어 다른 사용자와 간섭 없이 작업 가능.
확장성 : 새로운 터미널이 열릴 때마다 커널은 추가적인 bash 프로세스를 생성.
보안성 : 사용자별로 독립적인 프로세스를 통해 보안 및 리소스 격리를 보장.
Shell 환경에서 특정 프로세스가 실행되는 구조
• User A와 vi 프로세스
: User A가 터미널을 통해 vi 명령어를 실행.
vi는 bash의 child process로 실행됨.
→ bash 프로세스가 fork() 시스템 콜을 통해 vi 프로세스를 생성한 후, exec()를 사용하여 메모리 공간을 vi 프로그램의 코드로 대체.
실행된 vi는 독립적인 프로세스로 관리됨.
• User B의 상태
: User B는 별도의 bash 프로세스를 통해 독립적으로 작업.
User B의 bash는 User A의 bash와 별개로 동작하며, 서로의 프로세스는 간섭하지 않음.
Shell process
쉘 : 사용자가 입력한 명령을 처리하고, 새로운 프로세스를 생성 및 실행
main(...) {
while (1) {
print prompt
read a line from terminal
take first word
search directories in $PATH
fork();
exec(); // load a.out
if (last char is not &)
wait();
}
}-
프롬프트 출력
쉘이 사용자에게 명령어 입력을 요청하기 위해 프롬프트($ 또는 >)를 출력. -
사용자 입력 처리
사용자가 명령어를 입력하면 쉘은 명령어를 읽어서 첫 번째 단어를 추출.
→ 실행할 프로그램의 이름
이후 경로 변수($PATH)를 탐색하여 실행 가능한 파일을 찾음. -
fork() 호출
새로운 프로세스를 생성하여 현재 쉘 프로세스의 복사본을 만듦. -
exec() 호출
자식 프로세스에서 exec()를 호출하여 메모리 공간을 새로운 프로그램(예: a.out)으로 교체.
이제 자식 프로세스는 입력된 프로그램을 실행. -
백그라운드 실행 확인
쉘은 명령의 마지막 문자가 &인지 확인.
• &가 없으면 :
부모 프로세스는 wait()를 호출하여 자식 프로세스가 종료될 때까지 기다림.
• &가 있으면 :
부모 프로세스는 기다리지 않고, 바로 프롬프트를 다시 출력. -
wait() 호출 (&가 없으면)
자식 프로세스가 종료(exit())되면, 부모 프로세스는 Block 상태에서 자식 프로세스의 상태를 회수하고 프롬프트를 다시 출력.
Booting the Kernel
Booting
CPU가 디스크에서 bootstrap loader의 위치를 찾아 메모리에 로드
: 부팅 시, CPU는 하드웨어의 초기화 및 부팅 로더를 디스크에서 읽어옴
Loader가 kernel의 위치를 찾아 메모리에 로드 및 실행
: 로더는 운영체제 커널을 메모리에 적재하고 실행을 시작.
Kernel은 process 0을 수작업으로 만듦
: 커널이 초기화되는 동안, 첫 번째 프로세스(process 0)를 생성.
Process 0 (root process)
Process image가 없는 특별한 프로세스
: 실행 가능한 코드 없이 생성되는 시스템의 기본 프로세스.
Process 0은 fork()/exec()로 process 1을 생성
: root process는 init 프로세스를 생성하기 위해 fork()와 exec() 시스템 호출을 사용.
Process 1 (init process)
fork()/exec()를 통해 셸을 생성
: 시스템의 첫 번째 사용자 레벨 프로세스로, /etc/init 실행 후 operator console 셸을 준비.
Process hierarchy
초기 계층 구조
• root: 시스템 부팅 후 생성된 가장 최초의 프로세스 (process 0).
• init: root 프로세스가 fork()와 exec()를 호출하여 생성된 프로세스.
시스템 초기화 및 다른 프로세스 관리 역할을 수행.
• bash: 운영자 콘솔에서 실행될 기본 셸 프로세스.
init 프로세스 확장
• getty :
터미널에서 login:을 출력하고 대기(blocked).
사용자가 입력을 제공하면 login 프로세스를 실행.
login 프로세스 추가
• bash: 운영자 셸로서 대기.
• login:
화면에 passwd:를 출력하고 대기(blocked).
사용자가 올바른 암호를 입력하면 bash 프로세스를 실행.
최종 계층 구조
• bash (운영자 셸 프로세스):
화면에 prompt를 출력하고 대기(blocked).
사용자가 명령어를 입력하면 fork()로 자식 프로세스(child bash)를 생성.
자식 프로세스가 끝나길 기다림 (wait() 호출).
Booting Sequence
: 컴퓨터가 부팅될 때 발생하는 단계별 과정
-
Sector 0 (Bootstrap Loader)
: 하드 디스크의 가장 첫 번째 섹터(Sector 0)에 저장된 bootstrap loader가 실행됨.
BIOS 또는 펌웨어가 ROM에서 실행되면서 부트스트랩 로더를 메모리로 로드하고 실행.
→ 운영 체제의 커널 이미지를 파일 시스템에서 메모리로 로드. -
Kernel Image
부트스트랩 로더가 파일 시스템에서 커널 이미지를 메모리로 로드.
커널 이미지가 실행되면 운영 체제가 초기화됨.
→ 시스템의 하드웨어 초기화, 프로세스 0 생성. -
Process 0 (Root Process)
커널은 부팅이 완료된 후 Process 0을 생성.
Process 0 : 메모리에 독립적인 이미지가 없는 커널 전용 프로세스로,
초기화 작업을 담당하며, 운영 체제의 다른 모든 프로세스의 부모 역할을 함.
→ Process 0은 fork()를 호출하여 Process 1을 생성. -
Process 1 (Init Process)
Process 0이 fork()와 exec()를 호출하여 /sbin/init을 실행.
Init의 역할:
• 시스템의 초기화.
• 사용자 인터페이스를 제공하는 프로세스를 생성.
ex. /bin/bash 또는 getty -
Process 2 이후
Init 프로세스는 추가적으로 터미널 프로세스(ex. bash)와 로그인 프로세스를 생성.
• /bin/bash: 운영자가 사용할 수 있는 쉘 환경 제공.
• getty: 터미널에서 로그인 화면을 출력.
"Daemon" Process
: 백그라운드에서 실행되며 사용자를 직접 상대하지 않는 서버형 프로세스.
형식은 사용자 프로세스이지만 커널의 작업을 도와주는 시스템 프로세스 역할.
• 부팅 시 시작되어 시스템 종료 시까지 실행.
• 특정 터미널이나 쉘과 연결되지 않음.
ex.
httpd: 웹 서버 프로세스.
ftpd: 파일 전송 프로토콜(FTP) 서버.
sshd: 보안 쉘(SSH) 데몬.
kswapd: page swapping daemon (메모리 관리).
동작 알고리즘
Boot Time: 부팅 시 시작.
대기 상태: 요청이 없을 경우 Blocked 상태로 대기.
요청 도착: 요청이 도착하면 깨어나서 요청 처리.
요청 처리 완료: 다시 Blocked 상태로 돌아감.
커널에 포함되지 않는 이유
• 크기(Small size)
: 커널 내부에 모든 프로세스를 포함할 경우 커널이 지나치게 커질 수 있음.
• 유연성(Flexibility)
: 독립적으로 실행되는 사용자 공간 프로세스로 유지하면 수정 및 업데이트가 쉬움.
Linux 의 Process 족보
-
Root Process
시스템 부팅 시 최초로 생성되는 프로세스로 process 0 (root)라고 함.
→ Init process를 생성 (PID 0).
대부분의 데몬 프로세스와 사용자 프로세스의 최상위 부모 역할. -
Init Process
PID 1을 가지며, 시스템의 모든 프로세스가 init으로부터 시작됨.
→ 여러 데몬 프로세스와 사용자 프로세스를 fork() 및 exec() 시스템 콜을 통해 생성.
ex. kswapd: 메모리 관리 데몬.
sshd: 보안 연결 데몬.
httpd: 웹 서버 데몬. -
SSHD와 Bash
• SSHD : 원격 접속을 처리하는 데몬.
getty와 login 과정을 거쳐 사용자를 인증하고, bash 세션을 생성.
• Bash (쉘): 명령어를 해석하고, 사용자 프로세스를 생성 (fork()/exec()) 및 관리.
각 사용자(예: User A, User B)마다 별도의 bash 프로세스가 생성됨. -
User Process
사용자 요청에 의해 생성된 프로세스들.
각 bash의 자식 프로세스로 생성되며, 특정 작업(예: 프로그램 실행)을 담당.
ex. User Process 1-1에서 vi 실행.
• pstree 명령어:
현재 실행 중인 프로세스의 계층 구조를 보여줌.
프로세스 간 부모-자식 관계를 시각적으로 확인 가능.
(root → init → bash → 사용자 프로세스)
