[시스템 프로그래밍] 프로세스 [2] - 프로세스의 제어

 

 

 

 

 

 

 

🧐 프로세스의 제어

Unix는 C 프로그램으로부터 프로세스를 제어하기 위해 많은 시스템 콜을 제공합니다.

다음은 대표적인 기능들입니다.

프로세스 ID 가져오기

프로세스 생성과 종료

자식 프로세스 제거

프로그램의 로딩과 실행

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 프로세스 ID 가져오기

getpid : 호출하는 프로세스의 PID를 반환합니다.
getppid : 부모 프로세스의 PID를 반환합니다. (즉 호출하는 프로세스를 만든 프로세스를 반환합니다.)

각각의 프로세스는 고유한 프로세스 ID (PID)를 갖습니다.

위의 함수들을 통해 PID를 얻어올 수 있습니다.

 

이때 반환 타입은 pid_t 타입의 정수 값이며, 이는 리눅스 시스템에서 types.h에 정수로 저장되어 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 프로세스의 상태

프로그래머의 관점에서 프로세스는 다음과 같은 세 가지 상태 중 하나의 상태를 가진다 생각할 수 있습니다.

Running : 프로세스는 CPU에서 실행하고 있거나, 실행을 기다리고 있으며, 최종적으로는 커널에 의해 스케줄될 것입니다.

Stopped : 프로세스의 실행은 정지한 상태이며, 스케줄되지 않습니다.

프로세스는 SIGSTOP, SIGTSTP, SIGTTIN, SIGTTOU 시그널을 받게 되면 그 결과로 정지하고,
SIGCONT 시그널을 받을 때까지 정지하였다가 해당 시그널을 받은 시점에서 다시 실행을 시작합니다.
(시그널은 일종의 소프트웨어 인터럽트입니다.)

Terminated : 프로세스는 영구적으로 정지됩니다. 프로세스는 다음의 세 가지 이유 중의 하나로 종료됩니다.

1) 프로세스를 종료하는 시그널을 받았을 때.
2) 메인 루틴에서 리턴할 때
3) exit 함수를 호출할 때

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 프로세스의 생성 - fork

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

pid_t fork(void);

부모 프로세스는 fork 함수를 불러서 자식 프로세스를 생성합니다.

새롭게 생성된 자식 프로세스는 완벽하게는 아니지만 부모와 거의 동일합니다.

 

자식은 코드, 데이터 세그먼트, 힙, 공유된 라이브러리, 사용자 스택을 포함하는 부모의 사용자수준 가상 주소공간과 동일한(그러나 분리된) 복사본을 갖습니다.

 

자식은 또한 부모가 오픈한 파일 식별자 모두와 동일한 사본을 갖습니다.

이것은 부모가 fork를 호출했을 때 부모가 오픈한 파일 모두를 읽고 쓸 수 있다는 것을 의미합니다.

 

부모와 생성된 자식 간의 가장 중요한 차이는 이들이 서로 다른 PID를 가진다는 것입니다.

 

 

 

 

또한 fork 함수는 특이한 특징을 가집니다.

fork 함수는 두 번 리턴됩니다.

한 번은 호출한 프로세스에서(부모), 다른 한 번은 새롭게 생성된 자식 프로세스에서 리턴됩니다.

 

부모에서 fork는 자식의 PID를 리턴합니다.
자식에서 fork는 0을 리턴합니다.

자식의 PID는 항상 0이 아니기 때문에, 리턴 값을 통해 프로그램이 부모에서 실행하고 있는지 자식에서 실행하는지를 명확하게 구분할 수 있습니다.

 

 

 

 

예제는 아래와 같습니다.

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>


int main() {

    int x = 1;
    pid_t pid = fork();

    if (pid == 0) {
        printf("Child has x = %d\n", ++x);
    } else {
        printf("Parent has x = %d\n", --x);
    }

    printf("Bye for process %d with x = %d\n", getpid(), x);
}

 

 

이 예제를 통해 다음과 같은 특징들을 알 수 있습니다.

fork는 한 번 호출하고 두 번 리턴합니다.

동시 실행:
부모와 자식은 동시에 돌아가는 별도의 프로세스들입니다.
이들의 논리적 제어흐름 내의 인스트럭션들은 커널에 의해서 임의의 순서로 중첩될 수 있습니다.

중복된, 그러나 별도의 주소공간:
위의 예제에서 지역변수 x는 fork 함수가 호출되어 반환되는 순간에 부모와 자식 모두에서 1을 가집니다.
그렇지만 부모와 자식이 별도의 프로세스이므로 이들은 자신만의 사적인 주소공간을 가집니다.
따라서 fork 이후 부모가 x를 변경하였더라도 자식에서는 반영되지 않습니다.

공유된 파일:
예제 프로그램을 실행할 때, 부모와 자식 모두가 자신의 출력을 화면을 통해서 진행합니다.
이유는 자식은 부모가 오픈한 모든 파일들을 상속받았기 때문인데, 부모가 fork를 호출할 때 stdout 파일은 열려 있으며,
화면으로 재지정되어 있습니다.
자식은 이 파일을 상속하였기에, 자신의 출력도 화면으로 가게 됩니다.

 

아직 시그널에 대해 다루지 않았지만, 중요한 내용이므로 우선 적어두도록 하겠습니다.

fork()로 생성된 자식은 부모의 signal mask를 상속받습니다.

https://man7.org/linux/man-pages/man2/sigprocmask.2.html

 

 

 

 

 

🧐 프로세스의 종료 - exit

#include <stdlib.h>

void exit(int status);

exit 함수는 종료 상태 status로 프로세스를 종료합니다.

(exit status를 설정하는 다른 방법은 메인 함수에서 정수 값을 리턴하는 것입니다.)

 

atexit() 함수는 exit() 할 때 실행할 함수를 등록합니다.

void cleanUp() {
    printf("Clean\n");
}

int main() {
    atexit(cleanUp);
    fork();
    exit(0);
}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 좀비 프로세스

종료되었지만 아직 처리되지 않은 프로세스

자식 프로세스가 부모 프로세스보다 먼저 종료되는 경우, 해당 자식 프로세스는 좀비 프로세스가 됩니다.

 

fork를 통해 자식 프로세스가 생성된 뒤 부모가 종료되기 전에 exit 혹은 return 등을 통해 종료될 수 있습니다.

이러한 경우 부모 프로세스에서 종료 상태를 회수하기 위해서 커널은 자식 프로세스의 최소한의 정보(PID, 종료상태 등)를 가지고 있습니다.

즉 자식 프로그램은 종료되었지만 메모리 자원을 차지하고 있는 것입니다.

 

좀비 프로세스를 제거하기 위해서는 부모 프로세스가 좀비 프로세스의 종료 상태를 회수하여야 합니다.

아래에서 나오겠지만 이를 위한 시스템 콜이 wait 혹은 waitpid 입니다.

 

만약 자신의 좀비 프로세스를 소거하지 않고 부모 프로세스가 종료한 경우,

커널은 init 프로세스(PID = 1)가 해당 좀비 프로세스들을 소거하도록 합니다.

 

 

즉 부모가 자식을 청소하지 않고 종료하였더라도, init에 의해 제거되기 때문에 문제가 되지 않습니다.

 

문제가 발생하는 상황은 자식은 종료되었지만 부모가 종료되지 않는 상황(예를 들어 쉘 또는 서버)에서 문제가 발생하며, 이러한 경우 반드시 부모 프로세스에서 좀비 프로세스를 제거해 주어야 합니다.

 

 

 

 

👉 defunct

예시를 위해 fork7.c 파일을 다음과 같이 생성합니다.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <ctype.h>
#include <signal.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
void fork7() {
	if (fork() == 0) {
		exit(0);
	}
	while(1){}

}

int main() {
	fork7();
	return 0;
}

이를 다음 명령어를 통해 실행시킨 후, ps를 쳐보도록 하겠습니다.

./fork7 &

&는 아래에서 나오겠지만, 작업을 백그라운드로 실행시킨다는 의미입니다.

 

보면 자식 프로세스(PID = 300592)가 defunct로 나옵니다.

실행을 완료했지만 프로세스 테이블에서 Parent 프로세스에 완료 상태를 전달하지 못한 프로세스를 Defunct 프로세스라고 부릅니다

 

 

 

 

 

 

 

🧐 고아 프로세스

부모 프로세스가 자식 프로세스보다 먼저 종료되는 경우, 해당 자식 프로세스를 고아 프로세스라 합니다.

이 경우 커널에 의하여 고아 프로세스는 init 프로세스에게로 입양됩니다.

 

이후 고아 프로세스가 종료되면 init으로 하여금 wait를 통해 고아 프로세스를 제거하여 좀비가 되는 것을 방지합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 좀비를 제거하는 wait와 waitpid

 

⭐️ wait - 자식 프로세스와 동기화하기

wait를 통해 자식 프로세스를 직접 제거할 수 있습니다.

 

wait는 다음과 같습니다.

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int * child_status);

 

wait는 현재 프로세스를 자신의 자식 프로세스들 중 하나(임의)가 종료될 때까지 정지시킵니다.

 

wait 함수의 리턴 값은 종료한 자식 프로세스의 pid가 되며, 만약 child_status가 NULL이 아닌 경우에는,

자식 프로세스의 종료 이유를 나타내는 상태 정보가 담깁니다.

 

이후 커널은 자식 프로세스를 제거합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

⭐️ waitpid-  특정 pid의 프로세스와 동기화하기

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t waitpid(pid_t pid, int * child_status, int options);

대기 집합의 멤버들은 pid에 따라 결정되는데 다음과 같습니다.

pid > 0 : 대기 집합은 인자로 전달된 pid과 동일한 값의 PID를 갖는 자식 프로세스입니다. (단일)
pid = -1 : 대기 집합은 부모의 모든 자식 프로세스입니다.(임의)

 

 

options로 인해 결정되는 행동은 다음과 같습니다.

options는 0인 경우 대기 집합(wait set) 내의 하나의 자식이 종료될 때까지 호출한 프로세스의 실행을 정지시킵니다.

WNOHANG( ==1 ) 인 경우 단 한번만 체크하여, 대기 집합 내 자식 프로세스 중 종료된 것이 없다면 즉시 리턴합니다.

WUNTRACED( ==2 ) 인 경우 대기 집합의 프로세스가 종료되거나 정지될 때까지 호출한 프로세스의 실행을 정지합니다.
(이때 정지가 의미하는 것은 SIGSTOP, SIGTSTP 등을 통한 정지 상태에 있는 것을 의미하며,
sleep 혹은 pause로 인한 정지를 의미하지 않습니다.)

WCONTINUED(== 8)
대기 집합에 속한 동작하는 프로세스가 종료될 때까지, 또는 대기 집합에 속한 정지한 프로세스가 SIGCONT 시그널을 받고 다시 실행을 시작할 때까지 호출하는 프로세스의 실행을 유예합니다.

옵션들은 OR하여 사용할 수 있습니다.

 

예를 들어 WNOHANG | WUNTRACED 를 사용하면, 대기 집합의 프로세스가 정지했을 때에도 회수할 수 있습니다.

만약 아무것도 정지하거나 종료되지 않았다면 WNOHANG처럼 동작합니다.

 

waitpid(-1, &status, 0)은 wait(&status)와 동일하게 동작합니다.

 

 

 

 

 

 

 

👉 청소된 자식의 exit 상태 체크하기

wait 혹은 waitpid의 child_status 인자가 NULL이 아니라면, 리턴을 하도록 만든 자식 프로세스에 대한 상태 정보를 status로 인코딩합니다.

wait.h 파일은 status 인자를 해석하기 위한 여러 매크로를 정의합니다.

WIFEXITED(status) : 자식이 exit 호출 또는 리턴을 통해서 정상적으로 종료되었다면 true를 리턴합니다.

WEXITSTATUS(status) : 정상적으로 종료된 자식의 exit status를 리턴합니다.
이 status는 WIFEXITED()가 true를 리턴한 경우에만 정의됩니다.

WIFSIGNALED(status) : 자식이 어떤 시그널을 통해 종료되었다면 true를 리턴합니다.

WTERMSIG(status) : 자식 프로세스를 종료하게 한 시그널의 번호를 리턴합니다.
이 status는 WIFSIGNALED()가 true를 리턴한 경우에만 정의됩니다.

WIFSTOPPED(status) : 리턴을 하게 한 자식이 현재 정지된 상태라면 true를 리턴합니다.

WSTOPSIG(status) : 자식 프로세스를 정지하게 한 시그널의 번호를 리턴합니다.
이 status는 WIFSTOPPED()가 true를 리턴한 경우에만 정의됩니다.

WIFCONTINUED(status) : 만일 자식 프로세스가 SIGCONT 시그널을 받아서 재시작되었다면 true를 리턴합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 프로세스 재우기

unsigned int sleep(unsigned int secs);

자기 자신을 secs초 동안 재웁니다.

 

정상적으로 깨어나는 경우 0을 반환하고, 그 외의 경우(시그널에 의해 깨어나는 경우)에는 잔여 시간을 초로 리턴합니다.

 

 

 

 

int pause(void);

자기 자신을 시그널(signal)을 받을 때까지 재웁니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 새 프로그램의 로딩과 실행 - execve

execve 함수는 현재 프로그램의 컨텍스트 내에서 새로운 프로그램을 로드하고 실행합니다.

 

int execve(char * filename, char * argv[], char * envp[]);

• filename : 실행가능 목적파일 이름
• argv : 인자 리스트
• envp : 환경변수 리스트

execve 함수는 위를 사용해서 filename을 로드하고 실행합니다.

 

이때 argv로 인해 현재 컨텍스트(code, data, stack 등)가 덮어 씌워집니다.

 

argv와 envp는 널 문자로 끝나는 포인터 배열이며, 관습에 의해 argv[0]은 실행가능 목적파일의 이름이 들어갑니다.

 

execve는 파일 이름을 찾을 수 없는 에러가 있는 경우에만 호출하는 프로그램으로 리턴합니다.

 

이외의 경우 execve는 절대 리턴하지 않습니다.

(리턴하는 경우 -1)

 

 

 

 

 

 

 

⭐️ 프로세스 VS 프로그램

프로그램은 코드와 데이터가 합쳐진 것으로, 디스크 상에 목적파일이나 주소공간에 세그먼트로 존재할 수 있습니다.

 

프로세스는 실행중에 있는 프로그램의 특정 사례로써, 프로그램은 항상 어떤 프로세스의 컨텍스트 내에서 돌아갑니다.

 

이 차이를 이해하는 것이 fork와 execve를 이해하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

fork 함수는 부모의 복제인 새로운 자식 프로세스에서 동일한 프로그램을 실행시킵니다.
(다른 컨텍스트 - 동일 프로그램)

execve는 새로운 프로그램을 현재 프로세스의 컨텍스트 내에서 로드하고 실행합니다.
(같은 컨텍스트 - 다른 프로그램)

따라서 execve로 실행되는 새로운 프로그램은 기존 프로세스와 동일한 PID를 가집니다.

 

 

fork : 
signal mask는 부모와 같습니다. (상속)
등록된 signal handler 역시 부모와 같습니다.(상속)

execve: 
signal mask는 동일합니다.
등록된 signal handler는 초기화됩니다.

fork를 통해 자식 프로세스를 만든 뒤, execve를 통해 새로 생성된 자식 프로세스 내에서 새로운 프로그램을 불러와 실행하는 방식을 많이 사용합니다.

 

 

예시는 아래와 같습니다.

if ((pid = Fork()) == 0) { /* Child runs program */ 
    if (execve(myargv[0], myargv, environ) < 0) {
        printf("%s: Command not found.\n", myargv[0]);
        exit(1);
    }
}

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 parseline

parseline 함수는 스페이스로 구분된 커맨드라인 인자들을 분석하고, execve로 전달될 인자들(argv)로 파싱합니다.

 

parseline에 들어오는 마지막 인자가 "&" 이라면, parseline은 1을 리턴하고, 이 프로그램이 백그라운드로 실행되어야 한다는 것을 의미합니다. (이때 쉘은 백그라운드 프로세스가 종료되는 것을 기다리지 않습니다.)

 

이 외의 경우에는 0을 반환하며, 이는 이 프로그램이 foreground에서 실행되어야 한다는 것을 나타냅니다.

(쉘은 해당 프로그램이 종료되는 것을 기다립니다.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 Built-in 명령어와 Utility 프로그램

Built-in 명령어는 쉘에 내장된 명령어를 의미합니다.
예를 들어 ls 등이 하나의 예시가 될 수 있습니다.

Utility 프로그램의 이름이 들어온 경우 해당 이름을 가진 실행 파일을 찾아 실행시킵니다.

어떤 명령어가 파일로써 존재하는 것이 아니라 소스코드로 구현되어 있다면 이는 built-in 명령어입니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 백그라운드 프로세싱

 

⭐️ Job

Shell이 사용하는 추상화로 한 개의 커맨드라인을 실행해서 생성된 프로세스들을 의미합니다.

어느 한 순간에 존재할 수 있는 Job은, 최대 하나의 foreground job과, 0개 이상의 background job으로 구성됩니다.

 

 

 

 

 

 

⭐️ Job의 제어

foreground job을 정지시키려면 Ctrl + z 를 통해 SIGSTOP 시그널을 보내야 합니다.

 

이후 fg를 입력하는 경우 정지된 작업을 다시 foregrond로 실행하며, bg를 입력하는 경우 background로 실행합니다.

(SIGCONT 시그널을 보냄)

 

 

 

 

 

 

⭐️ background 작업

background job으로 실행시키기 위해서는 커맨드라인에 입력하는 명령어의 마지막에 &를 입력해야 합니다.

이렇게 되면 parseline 함수에서는 1을 반환하고, 이는 작업이 백그라운드로 실행되어야 함을 의미합니다.

 

백그라운드 작업은 키보드를 제어하지 않습니다.

 

 

위 사진에서 빨간 부분의 괄호를 보면 백그라운드 작업으로 수행되어야 할 때의 과정을 처리한 부분입니다.

 

이때 중요한 것이 해당 부분의 경우 waitpid를 통해 자식을 제거해 주지 않기 때문에 fork로 인해 생성된 자식들이 죽으면 좀비로 변합니다.

 

이를 해결하기 위해 waitpid를 사용한다면, 이는 더이상 백그라운드 작업이 아니게 됩니다. (wait하는 동안 쉘을 사용하지 못하므로)

waitpid를 사용한다면 포그라운드 작업이,
사용하지 않는다면 백그라운드 작업이 됩니다.

 

 

 

그럼 백그라운드 작업을 제거하기 위해서는 어떻게 해야 할까요?

백그라운드 작업을 제거하기 위해서 Signal 이라고 하는 방법을 사용합니다.

 

Signal은 다음에 이어서 살펴보도록 하겠습니다.