7 minute read

◼︎ Process

프로세스(process)란 실행 중인 프로그램으로 정의한다. 그런데 사용자는 하나 이상의 프로그램을 동시에 실행 하기를 원한다. 운영체제는 CPU를 가상화하여 이런 환상을 만들어낸다. 하나 또는 소수의 CPU로 여러 개의 가상 CPU가 존재하는 환상을 만들어내는 것이다. 이 방밥을 시분할(time sharing)이라고 한다. 이 기법은 CPU를 공유하기 때문에 각 프로세스의 성능은 많이 분할 할 수록 낮아진다. 이 시분할은 자원 공유를 운영체제가 사용하는 가장 기본 기법 중 하나로 이와 대응 되는 개념으로 공간 분할(space sharing)이 있다.

프로세스의 구성 요소를 이해하기 위해서는 하드웨어 상태(machine state)를 이해해야하는데 이때 하드웨어 상태를 읽거나 갱신하는데 중요한 구성 요소는 메모리와 레지스터이다. 명령어가 메모리에 저장되고 데이터 또한 메모리에 저장되게 된다. 그리고 이러한 명령어들은 레지스터를 직접 읽거나 갱신을 하여 사용한다. 이 레지스터들 중 특별한 것들이 있는데 프로그램 카운터(program counter, PC)또는 명령어 포인터(instruction pointer, IP)라고 불리는 어느 명령어가 실행 중인지 알려주는 레지스터와 스택 포인터(stack pointer)와 프레임 포인터(frame pointer) 등이 있다.

◼︎ Process API

API가 제공하는 기본 기능은 다음과 같다.

  1. 생성(Create): 프로세스를 생성할 수 있는 방법을 제공한다. 쉘에 명령어를 입력하거나 아이콘을 더블-클릭하여 프로그램을 실행시키는 것 자체가 운영체제가 새로운 프로세스를 생성하는 방법이다.
  2. 제거(Destroy): 생성 프로그램이 있듯 강제로 제거할 수 있는 인터페이스를 제공해야한다. 보통은 실행된 후 할 일을 다하면 스스로 종료하지만 그렇지 않은 프로세스는 사용자가 직접 제거할 수 있는 API가 필요하다.
  3. 대기(Wait): 실행 중지 전에 기다릴 필요가 있기 때문에 이에 관한 API가 존재한다.
  4. 각종 제어(Miscellaneous Control): 프로세스를 일시정지하거나 재개하는 것과 같은 여러 제어 기능이 있다.
  5. 상태(Status): 프로세스 상태 정보를 얻어내는 인터페이스가 제공된다. 얼마나 실행 되었는지와 어떤 상태에 있는지 등이 포함된다.

Process Create


프로그램 실행을 위해 운영체제가 가장 먼저 하는 일은 위의 그림처럼 프로그램 코드와 정적 데이터(static data)를 메모리(프로세스 주소)에다 탑재(load)하는 것이다. 초기 운영체제들은 프로그램을 실행하기 전코드와 데이터 모두를 메모리에 탑재 하였는데 이것은 성능을 낮추었다. 이제는 프로그램을 실행할 때 필요한 부분만 메모리에 탑재한다. 이것은 페이징(paging)과 스와핑(swaping)과 관련있다. 우선 여기서 이해해야 하는 것은 프로그램의 중요 부분을 디스크에 메모리로 탑재해야 한다는 것이다.

메모리로 탑재된 후 운영체제는 프로그램의 실행시간 스택(run-time stack)을 할당시켜야 한다. 메인(main)함수의 경우 argc(argument count , 데이터 개수)와 argv(argument variable, 저장주소)를 사용하여 스택을 초기화한다.

운영체제는 프로그램의 힙(heap)을 위한 메모리 영역을 할당한다. 힙(heap)은 동적으로 할당된 데이터를 저장하기 위해 사용된다. malloc()을 호출하여 필요한 공간을 요청하고 free()를 호출하여 사용했던 공간을 반환하여 다른 프로그램이 사용될 수 있도록 한다. 힙은 연결리스트, 해시 테이블, 트리 등 크기가 가변적인 자료 구조를 사용할 수 있게 하고 프로그램이 실행되면 malloc() 라이브러리 API가 메모리를 요청하고 운영체제는 이를 충족하도록 메모리를 할당한다.

운영체제는 입출력과 관계된 초기화 작업을 수행한다. 기본적으로 표준 입력(STDIN), 표준 출력(STDOUT), 표준 에러(STDERR) 장치에 해당하는 세 개의 파일 디스크립터(file descriptor, 리눅스 혹은 유닉스 계열의 시스템에서 프로세스(process)가 파일(file)을 다룰 때 사용하는 개념으로, 프로세스에서 특정 파일에 접근할 때 사용하는 추상적인 값)를 갖는다.

운영체제가 코드와 정적 데이터를 메모리에 탑재하고, 스택과 힙을 생성하고 초기화하고, 입츨력 셋업과 관계된 다른 작업을 마치게 되면 프로그램 실행을 위한 준비를 마치게 된다. 이 이후 CPU에 새로 생성된 프로세스를 넘기고 프로그램이 실행되는 것이다.

Process Status

프로세스 상태를 단순화 하면 다음 세 상태 중 하나에 존재할 수 있다.

  • 실행(Running): 명령어를 실행하고 있는 상태
  • 준비(Ready): 다른 프로세스를 실행하고 있는 등의 이유로 대기중인 상태
  • 대기(Blocked): 다른 프로세스를 기다리는 동안 수행을 중단시키는 연산

입출력이 없을때 프로세스는 다음과 같다.


그에 반해 입출력이 있을 때 프로세스는 다음과 같다.


이러한 결정은 스케줄러를 통해 운영체제가 결정을 내린다.

Process Data structure

운영체제도 일종의 프로그램이기 때문에 다양한 정보를 유지하기 위한 자료 구조를 가지고 있다. 아래는 xv6 Proc구조를 간단하게 나타낸 것이다.

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29

// 프로세스를 중단하고 이후에 재개하기 위해 xv6가 저장하고 복원하는 레지스터
struct context { 
	int eip; 
	int esp; 
	int ebx; 
	int ecx; 
	int edx; 
	int esi; 
	int edi; 
	int ebp; 
}; 
// 가능한 프로세스 상태
enum proc_state { UNUSED, EMBRYO, SLEEPING, 
				RUNNABLE, RUNNING, ZOMBIE }; 
// 레지스터 문맥과 상태를 포함하여 각 프로세스에 대하여xv6가 추적하는 정보
struct proc { 
	char *mem; // 프로세스 메모리 시작 주소
	uint sz; // 프로세스 메모리의 크기 
	char *kstack; // 이 프로세스의 커널 스택의 바닥 주소
	enum proc_state state; // 프로세스 상태
	int pid; // 프로세스 ID 
	struct proc *parent; // 부모 프로세스 
	void *chan; // 0이 아니면, chan에서 수면 
	int killed; // 0이 아니면 종료됨
	struct file *ofile[NOFILE]; //열린파일 
	struct inode *cwd; // 현재 디렉터리
	struct context context; // 프로세스를 실행시키려면 여기로 교환 
	struct trapframe *tf; // 현재 인터럽트에 해당하는 트랩 프레임
};

레지스터 문맥(register context) 자료구조는 프로세스가 중단되었을 대 해당 프로세스의 레지서터값들을 저장한다. 이 레지스터 값들을 복원하여 운영체제는 프로세스 실행을 재개하고 이 것을 문맥 교환(context switch)라고 한다. 코드를 보면 실행, 즌비, 대기 외에 다른 초기(initial)상태를 가지는 시스템이 잇는 것을 볼 수 있다. 프로세스는 종료되었지만 메모리에 남아 있는 최종(final)상태를 좀비(zombie)라고 부른다.

◼︎ Process API

UNIX 시스템의 프로세스 생성에 대해 실제적인 측면을 알아 볼 것이다. UNIX는 프로세스를 생성하기 위하여 fork()와 exec() 시스템 콜을 사용하고 wait()는 프로세스가 자신이 생성한 프로세스가 종료되기 기다리기 원할 때 사용된다.

fork() 시스템 콜

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

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

int main(int argc,char * argv[]){
	printf("hello world (pid:%d)\n",(int)getpid());
    int rc = fork();
    if(rc < 0){
    	fprintf(stderr,"fork failed\n");
        exit(0);
    }
    else if(rc == 0){
    	printf("hello, i am child (pid) : %d\n",(int)getpid());
    }
    else{
    	printf("hello, i am parent of %d (pid:%d)",rc,(int)getpid());
    }
   
}

이 코드를 실행시키면 다음과 같은 결과를 얻게 된다.

1
2
3
4
5

prompt> ./p1
hello world (pid:29146)
hello, I am parent of 29147 (pid:29146)
hello, I am child (pid:29147)
prompt>

우선 프로그램이 시작되면 hello world를 출력하고 뒤에 PID가 같이 써지게 된다. 그리고 fork()함수가 실행되면 프로세스가 복제가 된다. Unix 환경에서 fork() 함수는 함수를 호출한 프로세스를 복사하는 기능을 한다. 이때 부모 프로세스와 자식 프로세스가 나뉘어 실행되는데, 원래 진행되던 프로세스는 부모 프로세스(parent), 복사된 프로세스를 자식 프로세스(child) 라고 한다. fork() 함수는 프로세스 id, 즉 pid 를 반환하게 되는데 이때 부모 프로세스에서는 자식 pid가 반환되고 자식 프로세스에서는 0이 반환된다. 만약 fork() 함수 실행이 실패하면 -1을 반환한다. 


위의 그림처럼 복제되어 프로세스가 동시에 실행된다. 그렇기 때문에 위의 결과말고도 아래의 결과처럼도 나올 수 있다.

1
2
3
4
5

prompt> ./p1
hello world (pid:29146)
hello, I am child (pid:29147)
hello, I am parent of 29147 (pid:29146)
prompt>

그래서 CPU 스케줄러(scheduler)는 실행할 프로세스의 순서를 선택한다. 이는 나중에 배우게 된다.

wait() 시스템 콜

부모 프로세스가 자식 프로세스의 종료를 대기해야할 경우 wait() 시스템 콜을 사용하게 된다.

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

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

int main(int argc,char * argv[]){
	printf("hello world (pid:%d)\n",(int)getpid());
    int rc = fork();
    if(rc < 0){
    	fprintf(stderr,"fork failed\n");
        exit(0);
    }
    else if(rc == 0){
    	printf("hell, i am child (pid:%d)\n",(int)getpid());
    }
    else{
		int wc = wait(NULL);
        printf("hello, iam parent of %d (wc:%d) (pid:%d)\n",rc,wc,(int)getpid());
    }
}

이 출력의 결과는 다음과 같다.

1
2
3
4
5

prompt> ./p2
hello world (pid:29266)
hello, I am child (pid:29267)
hello, I am parent of 29267 (pid:29266)
prompt>

만약 parent가 먼저 선택됐으면 wait()에 의해 잠시 멈추고 child부터 실행을 시킨 후 다시 돌아와서 parent를 실행하게 된다. 즉, 항상 동일한 결과를 출력할 수 있게 만들 수 있다.

exec() 시스템 콜

fork()는 자신의 복사본을 생성하여 실행하지만 자신의 복사본이 아닌 다른 프로그램을 실행해야 할 때는 exec()를 사용하게 된다. 즉, fork()는 복사하기이고 exec()는 덮어쓰기(load)이다.

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27

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

int main(int argc,char * argv[]){
	printf("hello world (pid:%d)\n",(int)getpid());
    int rc = fork();
    if(rc < 0){
    	fprintf(stderr,"fork failed\n");
        exit(0);
    }
    else if(rc == 0){
    	printf("hello, i am child (pid:%d)\n",(int)getpid());
    	char *myargs[3];
        myargs[0] = strdup("wc");
        myargs[1] = strdup("p3.c");
        myargs[2] = NULL;
        execvp(myargs[0],myargs);
        printf("this should`t print out");
    }
    else{
    	int wc = wait(NULL);
        printf("hello, i am parent of %d (wc:%d) (pid:%d)\n",rc,wc,(int)getpid());
    }
}

이 코드의 실행 결과는 다음과 같다.

1
2
3
4
5
6

prompt> ./p3
hello world (pid:29383)
hello, I am child (pid:29384)
      29    107     1030      p3.c
hello, I am parent of 29384 (pid:29383)
prompt>
  • strdup함수는 인자를 복사하고 인자를 가리키는 포인터를 반환한다.
  • wc는 문자열의 개수를 세는 명령어, wc p3.c


이런 API가 필요한 이유

쉘은 프롬프트를 표시하고 사용자가 무언가 입력하기를 기다리고 거기에 명령어를 입력하게 된다. 이는 fork()와 exec()를 구분하여 유용한 일을 할 수 있게 된다. 쉘은 명령어를 실행하기 위해 fork를 호출하여 새로운 자식 프로세스를 만든다. 그런 후 exec()를 호출하여 프로그램을 실행시킨 후 wait()로 부터 리턴하고 다시 프롬프트를 출력하고 다음 명령어를 기다린다.

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27

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

int main(int argc,char * argv[]){
    int rc = fork();
    if(rc < 0){
    	fprintf(stderr,"fork failed\n");
        exit(0);
    }
    else if(rc == 0){
        close(STDOUT_FILENO);	//표준출력 파일 디스크립터 닫기
        open("./p4.output",O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC,S_IRWXU);	//p4.output 파일 열기

        char *myargs[3];
        myargs[0] = strdup("wc");
        myargs[1] = strdup("p4.c");
        myargs[2] = NULL;
        execvp(myargs[0],myargs);
    }
    else{
    	int wc = wait(NULL);
    }
}

이 코드를 실행시키면 다음과 같다.

1
2
3
4

prompt> ./p4
prompt> cat p4.ouput
      32     109    846   p4.c
prompt>

p4를 실행하면, 화면에 아무 일도 일어나지 않는다. 그러나 실제로는 p4는 fork를 호출하여 새로운 자식 프로세스를 생성하고 execvp()를 호출하여 wc프로그램을 실행시킨다. 출력이 p4.output으로 재지정되었기 때문에 화면에는 아무것도 나오지 않는다. 이런 방식은 새 파일에 쓰기를 하는것과 같은 결과를 가진다. 아래의 wc 프로그램의 출력이 newfile.txt로 방향이 재지정되는 것과 같다.

1

prompt> wc p3.c > newfile.txt

You may also enjoy

CA - chapter 5 Large and Fast: Exploiting Memory Hierarchy

9 minute read

이제 우리는 전체적인 CPU의 구조에 대해 이해할 수 있게 됐다. 그런데 우리가 자세히 다루지 않고 계속 사용하던 것이 있다. 바로 memory이다. gate나 mux등을 통해 많은 것을 만들 수 있지만 저장공간에 대한것은 아무 설명 없이 그냥 사용했다. 이번 장에는 이 memor...

Moment 2 - Review of 2024

2 minute read

열심히 블로그 쓴다고 한지 거의 4달만에 글을 다시 씁니다. 이거 굉장히 귀찮긴 하네요;;; 벌써 2025년이 돼서 개강도 했는데 이제야 24년 사진들을을 올려볼까 합니다. 24년은 제 인생에서 제일 행복한 해였던것 같습니다. 입시에서 벗어났다는 해방감도 있고 작년에 정말 많은...

ES - Week2

less than 1 minute read

https://nbviewer.jupyter.org/github/coolstone2000/coolstone2000.github.io/blob/2edbb9f3fc55fbfd2bba247b27114aaab578b5ad/files/2022142255%EC%A0%95%EC%84%9D%EC...